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出版者:

作者:卡莫

出品人:

页数:443

译者:张炯

出版时间:2009-9

价格:75.00元

装帧:

isbn号码:9787111270300

丛书系列:计算机科学丛书

图书标签:

• 微控制器
• it.system.cpu
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• 嵌入式系统
• 电子工程
• 硬件开发
• C语言
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• Arduino

《嵌入式系统设计与应用：从原理到实践》 内容简介 《嵌入式系统设计与应用：从原理到实践》是一本深度剖析嵌入式系统开发全貌的专业技术书籍。本书旨在为读者构建一个扎实而全面的嵌入式系统知识体系，覆盖从核心硬件原理到复杂软件实现的各个环节，并辅以大量实际案例，强调理论与实践的紧密结合。我们摒弃了浮光掠影式的介绍，力求深入挖掘每一个技术点，让读者不仅知其然，更能知其所以然。 第一部分：嵌入式系统基础理论 本部分是整个知识体系的基石，我们将从最底层的概念出发，逐步深入。 第一章：嵌入式系统概述与发展趋势 1.1 什么是嵌入式系统？ 我们将详细解释嵌入式系统的定义，区别于通用计算系统，强调其“嵌入”特性、专一功能、实时性、高可靠性、低功耗等关键特征。 深入探讨嵌入式系统在现代社会中的广泛应用场景，从消费电子、工业自动化、医疗设备到汽车电子、物联网等，勾勒出嵌入式技术无处不在的图景。 分析嵌入式系统的基本组成：硬件平台（处理器、存储器、I/O接口、外设）和软件平台（嵌入式操作系统、驱动程序、应用软件）。 1.2 嵌入式系统的硬件构成 1.2.1 微处理器与微控制器（MCU）的演进与选型 我们将对不同类型的嵌入式处理器进行详细介绍，包括ARM、MIPS、RISC-V等主流架构，分析它们的指令集、流水线、缓存机制等核心设计。 重点讲解微控制器（MCU）作为嵌入式系统核心的地位，剖析其内部集成的CPU、RAM、ROM、Flash、定时器、ADC/DAC、通信接口（UART, SPI, I2C, CAN等）等功能模块，以及不同系列MCU（如STM32、ESP32、AVR等）的特点和适用范围。 提供一套系统性的MCU选型指南，指导读者根据项目需求（性能、功耗、成本、外设接口、开发生态等）做出明智的选择。 1.2.2 存储器体系：RAM, ROM, Flash与EEPROM 深入讲解不同类型存储器的物理结构、工作原理、读写时序、特点（速度、容量、易失性/非易失性、寿命等）。 阐述它们在嵌入式系统中的具体作用：程序存储、数据存储、配置信息存储等。 分析存储器接口技术，如NOR Flash、NAND Flash与SDRAM的接口方式，以及如何通过存储器映射实现对存储器的访问。 1.2.3 输入/输出（I/O）接口设计 详述通用的I/O接口原理，包括GPIO（通用输入输出）的工作模式（推挽输出、开漏输出、高阻输入等）及其配置。 深入讲解串行通信接口（UART, SPI, I2C）和并行通信接口的通信协议、时序图、工作流程，以及在实际应用中的连接方式。 介绍ADC（模数转换器）和DAC（数模转换器）的工作原理、采样率、分辨率、量化误差等关键参数，以及它们在采集模拟信号和输出模拟信号中的作用。 讲解其他重要的外设接口，如定时器/计数器、PWM（脉冲宽度调制）、DMA（直接内存访问）等，及其在各种应用中的独特功能。 1.3 嵌入式软件体系 1.3.1 嵌入式操作系统（RTOS） 详细介绍RTOS的核心概念：任务、调度器（优先级调度、时间片轮转调度）、进程间通信（IPC）机制（信号量、互斥锁、消息队列、事件标志组）、中断处理、内存管理（静态分配、动态分配）。 深入分析主流RTOS（如FreeRTOS, RT-Thread, VxWorks, uC/OS）的架构、API接口、性能特点和适用场景。 指导读者如何根据项目需求选择合适的RTOS，以及如何进行RTOS的移植和配置。 1.3.2 驱动程序开发 阐述驱动程序在硬件与上层应用之间的桥梁作用。 讲解驱动程序的基本结构和编写原则，包括中断服务程序（ISR）的设计、设备注册、API封装等。 重点讲解针对不同硬件接口（如GPIO, UART, SPI, I2C, ADC, Timer）的驱动程序开发方法。 1.3.3 应用层软件设计 讲解嵌入式应用软件的设计模式和架构，包括状态机、事件驱动模型等。 探讨如何组织和管理应用程序的各个模块，保证代码的可读性、可维护性和可扩展性。 介绍嵌入式系统中常见的应用场景，如数据采集、控制算法、通信协议实现、用户界面交互等。 1.4 嵌入式系统开发流程与工具链 详细介绍嵌入式系统从需求分析、系统设计、硬件选型、软件开发、调试测试到产品发布的完整生命周期。 深入讲解嵌入式开发常用的集成开发环境（IDE），如Keil MDK, IAR Embedded Workbench, STM32CubeIDE, VS Code (配合PlatformIO等插件)等，并介绍它们的核心功能（代码编辑、编译、链接、调试）。 详细介绍交叉编译器的原理和使用，以及构建系统（如CMake, Make）在自动化编译中的作用。 讲解调试工具链，包括仿真器（JTAG/SWD）、逻辑分析仪、示波器、串口调试助手等，以及如何在硬件上进行代码调试和性能分析。 1.5 嵌入式系统发展趋势与挑战 探讨新兴技术对嵌入式系统的影响，如人工智能（AIoT）、边缘计算、安全（安全启动、加密通信）、低功耗设计、无线通信技术（BLE, Wi-Fi, LoRa）等。 分析当前嵌入式系统开发面临的挑战，如开发复杂性、资源限制、功耗优化、安全风险、标准化等。 第二部分：嵌入式系统核心技术详解 本部分将对第一部分提及的核心技术进行更深入的理论阐述和实操指导。 第二章：ARM Cortex-M系列处理器内部架构与编程 2.1 ARM Cortex-M架构概览 深入分析ARMv7-M/v8-M架构，包括Thumb-2指令集、流水线、寄存器组、异常模型、内存保护单元（MPU）。 重点讲解Cortex-M系列（M0, M3, M4, M7, M33等）的特点、性能指标和功耗优势，以及它们在不同应用领域的定位。 2.2 中断与异常处理机制 详细讲解NVIC（嵌套向量中断控制器）的工作原理、中断向量表、优先级设置、中断屏蔽。 分析中断与异常的触发条件、处理流程，以及如何在中断服务程序（ISR）中安全地访问共享资源。 2.3 内存管理与MPU 深入讲解Cortex-M处理器的内存映射，以及如何通过MPU实现对内存区域的访问控制和权限设置，提高系统的安全性和稳定性。 2.4 Low Power Modes（低功耗模式） 详述Cortex-M处理器提供的各种低功耗模式（Sleep, Stop, Standby等），分析它们的功耗特性和唤醒方式。 指导读者如何设计低功耗嵌入式应用，最大化延长电池寿命。 2.5 Cortex-M编程实例 结合具体MCU（如STM32F103/F407）进行实例开发，演示如何配置GPIO、UART、SPI、I2C等外设。 通过实际代码演示中断服务程序的编写、定时器的使用、ADC采样以及PWM输出。 学习如何利用RTOS（如FreeRTOS）进行任务创建、调度、IPC通信，构建多任务应用。 第三章：实时操作系统（RTOS）深度剖析与应用 3.1 RTOS核心数据结构与调度算法 深入分析RTOS内部的任务控制块（TCB）、就绪列表、阻塞列表等数据结构。 详细讲解优先级调度、Round-Robin调度、多队列就绪列表等主流调度算法的实现细节和性能影响。 3.2 进程间通信（IPC）机制详解 全面讲解信号量、互斥锁、消息队列、事件标志组、邮箱等IPC机制的原理、使用场景和注意事项。 通过代码示例演示如何使用IPC机制实现任务间的数据共享和同步，避免竞态条件。 3.3 中断管理与RTOS 探讨RTOS如何与中断系统协同工作，分析中断服务程序（ISR）与RTOS任务之间的交互。 讲解如何在ISR中调用RTOS API，以及如何处理“fromISR”版本的RTOS函数。 3.4 内存管理策略 深入分析RTOS提供的内存管理方案，包括静态内存池、动态内存分配（如malloc/free），以及它们在嵌入式系统中的优缺点。 指导读者如何根据应用需求选择合适的内存管理策略，避免内存碎片和泄漏。 3.5 典型RTOS（FreeRTOS/RT-Thread）实战 选择一种或两种主流RTOS，从源码编译、移植到开发板的整个过程进行详细介绍。 通过一系列进阶的实际项目，如多传感器数据采集与处理、网络通信、图形界面显示等，全面展示RTOS在复杂嵌入式系统中的应用。 第四章：嵌入式通信协议栈与网络编程 4.1 串行通信接口（UART, SPI, I2C）深入 除了基础原理，进一步讲解这些接口在实际应用中的高级配置，如DMA传输、多设备通信、差错检测与纠正。 4.2 CAN总线通信 详细介绍CAN总线的物理层、数据链路层协议，包括帧格式、仲裁机制、错误处理。 分析CAN总线在汽车电子、工业自动化领域的应用，并提供基于MCU的CAN通信实例。 4.3 TCP/IP协议栈与嵌入式网络 深入讲解TCP/IP协议簇的基本原理，包括IP地址、子网掩码、网关、DNS、DHCP。 详细阐述TCP（面向连接）和UDP（无连接）协议的特性、三次握手与四次挥手、滑动窗口、拥塞控制等。 介绍lwIP（Lightweight IP）等嵌入式TCP/IP协议栈的架构、API使用和移植。 通过实例演示如何构建基于TCP/IP协议的客户端/服务器应用，实现嵌入式设备与互联网的通信。 4.4 MQTT协议与物联网通信 讲解MQTT协议的核心概念：发布/订阅模式、Broker、Topic、QoS。 分析MQTT协议的优势（轻量级、低功耗）在物联网应用中的重要性。 提供使用MQTT协议进行设备连接、数据上传和控制的实例。 4.5 Wi-Fi与蓝牙通信 介绍Wi-Fi（IEEE 802.11）的工作原理、安全机制（WPA2/WPA3）、连接模式（STA/AP/AP+STA）。 讲解蓝牙（Bluetooth Classic/BLE）的工作原理、配对、连接、 GATT（Generic Attribute Profile）等概念。 通过ESP32等集成Wi-Fi和蓝牙功能的MCU，演示无线通信应用的开发。 第三部分：嵌入式系统高级主题与实践 本部分将涉及嵌入式系统开发中的一些高级概念、工程实践以及新兴技术。 第五章：嵌入式系统调试与测试技术 5.1 软件调试技术 深入讲解JTAG/SWD接口的工作原理，以及如何利用仿真器进行断点设置、单步执行、变量监视、内存查看。 详细介绍逻辑分析仪和示波器在嵌入式系统调试中的应用，如何捕获信号、分析时序。 讲解printf重定向、SWO（Serial Wire Output）等调试输出技术。 5.2 硬件调试技术 介绍如何使用万用表、逻辑笔等基本工具进行硬件电路的初步排查。 讲解电源测量、信号完整性分析等高级硬件调试方法。 5.3 单元测试与集成测试 讨论如何为嵌入式软件编写单元测试，以及如何使用CUnit、Unity等测试框架。 讲解集成测试的方法，如何验证不同模块之间的协同工作。 5.4 故障注入与鲁棒性测试 介绍故障注入技术，如何模拟硬件或软件故障，测试系统的容错能力。 探讨如何进行压力测试、边界测试，提高系统的稳定性。 第六章：嵌入式系统安全性设计 6.1 安全威胁与攻击面分析 识别嵌入式系统中常见的安全漏洞，如缓冲区溢出、命令注入、侧信道攻击。 分析不同应用场景下的潜在攻击面。 6.2 安全启动与固件更新 讲解安全启动（Secure Boot）机制，如何确保设备启动时加载的是可信的代码。 介绍安全的固件更新（OTA - Over-The-Air）流程，包括签名验证、加密传输。 6.3 加密与认证技术 介绍对称加密（AES）和非对称加密（RSA）在嵌入式设备中的应用。 讲解数字签名和哈希函数在保证数据完整性和身份认证中的作用。 介绍TLS/SSL协议在嵌入式设备与服务器之间的安全通信。 6.4 硬件安全模块（HSM）与TPM 介绍硬件安全模块（HSM）和可信平台模块（TPM）的功能和应用，它们如何提供硬件级别的安全保障。 第七章：嵌入式系统功耗优化设计 7.1 功耗分析方法 介绍功耗测量工具和方法，如何准确测量嵌入式设备的功耗。 讲解静态功耗和动态功耗的分析。 7.2 硬件层面的功耗优化 低功耗MCU的选择与配置。 外设功耗管理，如选择低功耗传感器、合理使用ADC/DAC。 时钟门控（Clock Gating）和电源门控（Power Gating）技术。 7.3 软件层面的功耗优化 合理利用RTOS的低功耗模式，如让CPU进入睡眠状态，并由中断唤醒。 优化算法，减少CPU的运行时间。 选择低功耗的通信协议和工作模式。 第八章：嵌入式Linux与应用开发 8.1 Linux在嵌入式系统中的优势 介绍Linux作为一种强大的、开源的操作系统在嵌入式领域的广泛应用。 讨论其丰富的功能、庞大的社区支持和灵活的定制能力。 8.2 嵌入式Linux开发环境搭建 讲解交叉编译工具链的搭建，如Buildroot, Yocto Project。 介绍根文件系统的构建和定制。 8.3 嵌入式Linux下的驱动程序开发 讲解Linux设备驱动模型的原理，包括字符设备、块设备、网络设备驱动。 介绍Linux内核模块（LKM）的开发和加载。 8.4 嵌入式Linux下的应用开发 介绍用户空间应用程序的开发，包括使用POSIX API、网络编程、GUI开发（如Qt for Embedded）。 讲解嵌入式Linux下的进程管理、内存管理、文件系统等。 本书特色： 深度与广度并存： 覆盖了从基础理论到前沿技术的广泛内容，并对关键技术进行深入剖析，确保读者能够构建完整的知识体系。 理论与实践结合： 每一章节都辅以大量的代码示例、原理图分析和实际开发案例，强调动手实践的重要性。 系统性与条理性： 内容编排逻辑清晰，循序渐进，从易到难，适合不同水平的读者。 前瞻性： 关注嵌入式技术的发展趋势，引导读者了解未来的技术方向。 实用性： 旨在培养读者解决实际嵌入式系统开发问题的能力，使其能够独立完成项目。 《嵌入式系统设计与应用：从原理到实践》将是您在嵌入式系统开发领域探索与前进的坚实伙伴。无论您是初学者希望入门，还是有经验的开发者寻求进阶，本书都将为您提供宝贵的知识和实用的技能。

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如前言所写，本书是为电学、电子学、计算机科学工程专业的大学生而写。也为对系统设计感兴趣的软件工程师和对单片机交互感兴趣的硬件工程师而写。本书介绍了8051单片机的内容，然后阐述设计嵌入式系统所必须了解的一些概念。 目录：1.微控制器的种类、选择和应用；2.微控制器的体系结构和资源概述；3.8051/8031系列的体系结构；4.8051系列微控制器指令集；5.实时控制：中断；6.实时控制：定时器；7.系统设计：外设与接口；8.系统设计：数字和模拟接口方法；9.编程框架：汇编语言和C语言编程；10.编程框架：软件构建模块；11.系统设计中的实时操作系统；12.微控制器应用程序开发工具；13.16微控制器8096 80196系列；14.Motorola MC68HC11系列；15.ARM32位MC

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