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出版者:

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页数:274

译者:

出版时间:2009-9

价格:30.00元

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isbn号码:9787118065565

丛书系列:

图书标签:

• PLC
• 可编程逻辑控制器
• 工业自动化
• 电气工程
• 技术
• 应用
• 编程
• 控制系统
• 制造业
• 工业控制
• 自动化技术

好的，这是一本关于《现代嵌入式系统设计与实践》的图书简介。 --- 现代嵌入式系统设计与实践 导言：嵌入式世界的脉动与未来 在数字化浪潮席卷全球的今天，嵌入式系统已不再是隐藏在幕后的“幕后英雄”，而是驱动着智能手机、物联网设备、自动驾驶汽车乃至工业自动化核心运作的“隐形大脑”。它们以极高的集成度、实时响应能力和低功耗特性，重塑着我们生活的方方面面。然而，要真正驾驭这一复杂的技术领域，需要系统性的知识体系、扎实的工程实践经验，以及对前沿趋势的深刻洞察。《现代嵌入式系统设计与实践》正是为此目的而创作，它旨在为电子工程、计算机科学、自动化等领域的学生、初级工程师以及希望拓宽技能的资深开发者提供一套全面而深入的理论基础与实战指南。 本书超越了对单一微控制器（MCU）或操作系统的简单介绍，而是构建了一个宏观的、涵盖硬件底层到软件架构的完整知识框架。我们聚焦于现代嵌入式设计中最为关键的挑战：如何平衡性能、功耗、成本与实时性，并安全、可靠地部署复杂的应用。 第一部分：嵌入式系统的基石——硬件与架构深入解析 成功的嵌入式设计始于对硬件平台的深刻理解。本部分将引导读者深入到微处理器和微控制器的核心结构中，为后续的软件开发打下坚实的硬件基础。 1. 嵌入式处理器家族的演进与选型 我们将详尽剖析主流处理器架构，包括ARM Cortex-M系列（侧重资源受限环境）、Cortex-A系列（面向高性能应用）以及特定领域的DSP和FPGA。重点解析流水线技术、缓存一致性机制、内存保护单元（MPU）和内存管理单元（MMU）的工作原理。读者将学会如何根据项目需求（如实时性要求、功耗预算、I/O密度）进行恰当的芯片选型。 2. 存储器体系与数据管理 嵌入式系统中的存储器管理尤为关键。本章详细阐述了SRAM、DRAM、Flash（NOR/NAND）以及新型非易失性存储器的特性、读写时序与寿命考量。特别关注代码和数据的存储布局、链接脚本的编写艺术，以及如何高效地实现固件升级（OTA/FOTA）机制，确保系统在不中断服务的情况下保持最新状态。 3. 高效能的片上外设交互 从最基础的定时器、中断控制器到复杂的通信接口，外设的正确配置是实现系统功能的关键。本书将深入讲解中断服务程序（ISR）的设计规范、DMA（直接内存访问）控制器如何卸载CPU负担、ADC/DAC的数据采集与转换精度控制，以及GPIO的高级驱动技术，确保数据流的无缝对接。 第二部分：嵌入式软件的生命线——实时操作系统与并发编程 现代嵌入式应用大多需要处理多个并发事件，传统的“裸机”编程已无法满足复杂需求。本部分是本书的核心，专注于实时操作系统（RTOS）的设计哲学、实现细节与高级应用。 4. 实时操作系统（RTOS）的原理与选型 系统性地介绍RTOS的核心概念，包括任务（Task）、调度器（Scheduler，如抢占式、时间片轮转、优先级继承）、信号量（Semaphore）、互斥锁（Mutex）以及消息队列（Message Queue）等同步与通信原语。我们将以FreeRTOS或Zephyr为例，详细解析内核的初始化流程和上下文切换机制。 5. 实时性保证与性能调优 实时性不仅仅是“快”，更是“可预测性”。本章深入探讨了如何量化系统的最坏执行时间（WCET），如何避免优先级反转（Priority Inversion），以及如何使用示波器和逻辑分析仪对任务的抖动（Jitter）进行精确测量。讲解了中断延迟、任务切换开销的优化策略。 6. 嵌入式C/C++编程范式与高级技巧 针对嵌入式环境的特性，讨论内存布局敏感的C编程技巧，如位域操作、易失性（volatile）关键字的正确使用。同时，深入探讨面向对象设计在嵌入式C++中的应用，包括模板元编程在硬件抽象层（HAL）中的应用，以及如何利用RAII原则管理资源生命周期，避免内存泄漏。 第三部分：互联互通——嵌入式网络与通信协议栈 物联网（IoT）的兴起使得嵌入式设备的联网能力成为标配。本部分聚焦于如何构建安全、稳定且高效的通信链路。 7. 嵌入式网络驱动与TCP/IP协议栈 从物理层到应用层，系统梳理以太网MAC、PHY的驱动开发，以及嵌入式TCP/IP协议栈（如LwIP）的裁剪与移植。重点分析TCP连接的建立与维护、UDP的无连接特性，以及如何在资源受限的设备上实现稳定的网络服务。 8. 低功耗无线技术与物联网标准 详细介绍LoRa、Bluetooth Low Energy (BLE) 和Zigbee等低功耗广域网（LPWAN）和短距离通信技术。特别关注BLE 5.0的连接建立流程、GATT服务结构，以及数据包的优化传输策略。此外，还将探讨MQTT、CoAP等物联网应用层协议在嵌入式端的实现与安全认证机制。 9. 嵌入式安全导论：从硬件到应用层的防御 在联网设备面临日益严峻的安全威胁时，安全设计已成为系统设计的核心要素。本章涵盖了安全启动（Secure Boot）的流程、固件加密存储、传输层安全（TLS/DTLS）的资源优化实现，以及如何利用硬件信任根（RoT）构建可信执行环境（TEE）。 第四部分：工程实践与项目交付 理论知识必须通过严谨的工程流程转化为可靠的产品。本部分关注项目生命周期管理和前沿的调试手段。 10. 嵌入式系统调试与故障诊断 掌握高效的调试工具是快速定位问题的关键。本书详细介绍JTAG/SWD调试接口的工作原理，如何利用断点、观察点、跟踪（Trace）功能来捕获瞬时错误。深入讲解使用逻辑分析仪和示波器进行信号完整性分析和时序冲突排查的实战技巧。 11. 固件编译、构建系统与版本控制 介绍CMake/Kconfig在嵌入式项目中的应用，实现模块化的构建和配置管理。强调Git在嵌入式开发中的最佳实践，特别是如何管理二进制大对象（如驱动库）和多分支协同开发。 12. 质量保证与自动化测试 讲解如何设计针对硬件特性的单元测试框架（如Ceptest），以及如何集成硬件在环（HIL）测试。讨论系统级测试用例的设计，确保产品在极端环境（温度、电压波动）下的鲁棒性。 结语 《现代嵌入式系统设计与实践》不仅是一本教科书，更是一份工程路线图。它要求读者以系统工程师的思维去审视问题，将硬件、软件、通信和安全融为一体。通过对这些前沿技术和工程方法的掌握，读者将有能力设计出下一代智能、高效且可靠的嵌入式产品。本书的内容覆盖面广，深度适中，是从事嵌入式系统研发人员不可或缺的工具书与参考手册。

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