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出版者:

作者:张溪

出品人:

页数:217

译者:

出版时间:2008-12

价格:21.20元

装帧:

isbn号码:9787040256437

丛书系列:

图书标签:

• 单片机
• 电子设计
• 嵌入式系统
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跨越数字与现实的桥梁：现代嵌入式系统原理与实践 本书聚焦于嵌入式系统的核心理论、前沿技术与工程实践，旨在为读者构建一个全面、深入且高度实用的知识体系。 它不仅仅是一本技术手册，更是一份引导工程师和爱好者从基础概念迈向复杂系统设计、优化与部署的路线图。 本书严格规避了对特定微控制器系列（如单片机）的详细指令集或特定型号的单一平台介绍，而是将视角提升到系统架构、跨平台兼容性与高级算法实现的层面。我们的核心目标是培养读者应对未来多样化硬件环境的能力，而非局限于某一特定芯片的生命周期。 全书内容组织严谨，逻辑清晰，分为以下六个核心模块： --- 第一部分：嵌入式系统基石与架构解析 本部分深入探讨了嵌入式系统与通用计算系统的本质区别，奠定了坚实的理论基础。我们不讲解单个处理器的内部寄存器操作，而是聚焦于处理器选型、系统级总线结构和内存管理策略。 1. 嵌入式系统概述与发展趋势： 探讨从冯·诺依曼到现代异构计算架构的演进，分析实时性、功耗约束和安全需求对系统设计的影响。重点分析了面向物联网（IoT）、边缘计算（Edge Computing）和工业控制领域对嵌入式平台提出的新要求。 2. 硬件抽象层（HAL）与驱动设计哲学： 强调构建可移植性的关键在于有效的抽象。本章详述了如何设计健壮的HAL，以隔离上层应用逻辑与底层硬件差异。内容包括设备驱动程序的生命周期管理、中断服务程序（ISR）的优化设计，以及DMA（直接内存存取）机制在提升系统吞吐量中的应用。 3. 系统级总线与互连技术： 深入剖析主流片上总线（SoC Interconnect）如AXI/AHB/APB协议的工作原理、仲裁机制和性能瓶颈分析。讨论了多核系统中的缓存一致性问题（Cache Coherency）及其硬件和软件解决方案。 4. 内存层次结构与优化： 详细阐述了片上SRAM、外部DRAM（如LPDDR系列）的物理特性、时序要求和访问模型。重点讲解了内存保护单元（MPU）和内存管理单元（MMU）在隔离性、安全性和虚拟内存管理中的作用，以及如何通过编译器优化提升数据访问效率。 --- 第二部分：实时操作系统（RTOS）的深度原理与应用 本部分是全书的重点，它将读者从裸机编程的限制中解放出来，迈入复杂并发任务调度的殿堂。本书不限于某一特定RTOS的API调用，而是探究其底层的调度算法和机制。 1. 实时系统理论基础： 介绍周期性任务模型、截止时间分析、可调度性测试（如Rate Monotonic Analysis, RMA 和 Earliest Deadline First, EDF）。为理解RTOS调度器的行为提供严格的数学和时间理论支撑。 2. 任务调度算法的实现与比较： 细致剖析优先级抢占式、时间片轮转、混合调度等主流算法的内部实现细节。探讨在多核或异构架构下，如何设计和实现全局或分区调度策略，以平衡系统的实时性和吞吐量。 3. 资源同步与并发控制： 深入讲解信号量、互斥锁、事件标志组、消息队列等同步原语的底层实现机制（如内核中的等待队列管理）。重点分析死锁的成因、检测与预防策略，以及如何在低延迟要求下优化锁的粒度。 4. 低功耗与节能调度策略： 讨论RTOS如何配合硬件进入不同深度的睡眠模式。研究基于任务负载动态调整CPU频率（DVFS）和任务优先级的节能调度算法。 --- 第三部分：通信协议栈与网络嵌入 本部分关注嵌入式系统如何高效、可靠地与其他设备乃至云端进行数据交换，重点是协议的工程实现和优化。 1. 嵌入式网络协议栈架构： 讨论TCP/IP协议栈在资源受限环境下的裁剪与优化。如何高效实现MAC层、IP层和传输层，以及针对IPv6和6LoWPAN的适应性设计。 2. 工业与现场总线技术： 详述CAN、EtherCAT、Profinet等工业通信协议的帧结构、错误检测与恢复机制，以及在实时性要求极高的控制网络中的应用拓扑与设计规范。 3. 安全通信与加密引擎： 探讨TLS/DTLS在嵌入式设备上的移植与性能考量。讲解硬件安全模块（如HSM或TrustZone）在加速公钥加密运算和安全密钥存储中的关键作用。 4. 无线连接技术栈： 分析低功耗广域网（LPWAN，如LoRa/NB-IoT）和短距离通信（如Thread/Zigbee）的MAC层差异及其对应用层数据包设计的影响。 --- 第四部分：系统可靠性、安全与诊断 现代嵌入式系统必须具备高可靠性和抗攻击能力。本部分专注于构建“可信赖”的嵌入式软件。 1. 软件容错与故障注入测试： 介绍冗余计算、校验码（如CRC、海明码）的应用，以及如何设计看门狗（Watchdog Timer）的有效驱动与复位策略，避免系统进入非预期状态。 2. 嵌入式系统安全机制： 深入讲解启动安全链（Secure Boot）、固件更新（OTA）的完整性验证。分析侧信道攻击（Side-Channel Attacks）的原理及其在硬件和软件层面上的防御技术。 3. 运行时诊断与日志系统： 设计高效的环形缓冲区日志机制，用于故障发生后的回溯分析。探讨非侵入式调试接口（如JTAG/SWD）的高级用法和硬件断点在定位复杂时序错误中的应用。 --- 第五部分：嵌入式软件工程方法论 本书强调工程规范和效率，关注如何管理大型、长生命周期的嵌入式项目。 1. 嵌入式软件架构模式： 比较分层架构、面向对象设计在嵌入式环境中的适用性。重点讲解状态机（State Machines）在复杂控制逻辑中的建模与实现，包括其形式化验证方法。 2. 代码质量与静态分析： 介绍MISRA C/C++等行业编码规范，并使用现代静态分析工具对代码进行潜在缺陷和安全漏洞的早期检测。 3. 嵌入式持续集成/持续部署（CI/CD）： 探讨如何在基于Linux/Yocto或特定RTOS的构建环境中，搭建自动化测试平台，实现跨平台交叉编译、自动部署和回归测试。 --- 第六部分：高级计算与异构加速 面向人工智能和大数据处理的需求，本部分探讨了如何有效利用嵌入式系统中的并行计算资源。 1. 嵌入式机器学习（TinyML）概述： 介绍模型量化、剪枝等模型压缩技术，以及如何将优化后的模型部署到资源有限的硬件加速器上。 2. GPU/DSP与FPGA的协同设计： 讲解通用图形处理器（GPGPU）和数字信号处理器（DSP）在数据并行计算中的优势。探讨如何通过OpenCL或特定厂商的SDK，将计算密集型任务从主处理器卸载到专用加速单元，实现系统性能的最大化。 3. 数据流编程模型： 介绍基于数据流的编程范式，以及它如何简化复杂信号处理链和多传感器数据融合系统的设计。 本书通过大量的架构图、流程图和性能分析案例，而非针对特定芯片的汇编或寄存器操作，确保了读者所学知识的前瞻性与通用性，使他们能够快速适应未来任何基于嵌入式系统的产品开发挑战。

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