51系列单片机系统设计与实践 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

简体网页||繁体网页

☆☆☆☆☆

出版者:

作者:陈志旺

出品人:

页数:313

译者:

出版时间:2010-1

价格:38.00元

装帧:

isbn号码:9787121100468

丛书系列:

图书标签:

• 单片机
• 51单片机
• 系统设计
• 实践
• 嵌入式系统
• 电子工程
• 硬件设计
• C语言
• 电路
• 教程

《嵌入式系统开发实战：从原理到应用》 内容简介 本书是一本面向嵌入式系统开发者的综合性实战指南，旨在帮助读者深入理解嵌入式系统的核心概念，掌握从硬件选型、软件设计到系统集成和优化的全过程。本书不侧重于特定型号的微控制器，而是聚焦于嵌入式开发中的共性技术和通用方法论，使其内容更具普适性和长久价值。 第一部分：嵌入式系统基础 本部分将系统性地梳理嵌入式系统的基本构成、工作原理以及发展趋势。 第一章：嵌入式系统概述 1.1 什么是嵌入式系统？ 定义与特征：探讨嵌入式系统作为“计算机系统”在专用设备中的嵌入式应用，强调其“专用性”、“嵌入性”、“实时性”等关键特征。 与通用计算机的区别：对比嵌入式系统与PC、服务器等通用计算机在硬件架构、软件特性、功耗、成本、可靠性等方面的差异。 应用领域：广泛列举嵌入式系统在消费电子、工业控制、汽车电子、医疗设备、通信网络、物联网等领域的典型应用，展示其无处不在的影响力。 1.2 嵌入式系统的组成 硬件平台： 微处理器/微控制器（MPU/MCU）：介绍不同类型的处理器架构（如ARM、RISC-V等），以及它们在嵌入式系统中的作用。 存储器：讲解ROM（Flash、EEPROM）、RAM（SRAM、DRAM）的类型、功能和在系统中的作用，以及缓存机制。 输入/输出（I/O）接口：详细阐述GPIO、UART、SPI、I2C、ADC、DAC、PWM等常用接口的功能、工作原理和信号特性。 外围设备：介绍晶振、电源管理单元、时钟模块、中断控制器、DMA控制器等关键外围组件。 其他模块：提及ADC/DAC转换器、定时器/计数器、实时时钟（RTC）、看门狗定时器（WDT）等，并阐述它们在系统中的作用。 软件平台： 裸机程序（Bare-metal）：讲解不依赖操作系统直接控制硬件的开发模式，适合资源受限或对实时性要求极高的场景。 嵌入式操作系统（RTOS）：介绍RTOS的作用，如任务管理、内存管理、进程间通信、设备驱动等，并列举常见的RTOS（如FreeRTOS、RT-Thread、uCOS等）及其特点。 中间件：解释中间件在应用层和操作系统之间的作用，如文件系统、网络协议栈、图形库等。 应用软件：描述嵌入式设备上运行的特定功能软件。 1.3 嵌入式系统开发流程 需求分析与系统设计：强调明确用户需求、功能定义、性能指标、功耗限制等。 硬件选型与原理图设计：讨论根据需求选择合适的处理器、存储器、外设，并绘制电子原理图。 PCB设计与制造：介绍PCB布局、布线规则、信号完整性、电源完整性等关键考量。 软件开发与调试：涵盖编码、编译、链接、下载、调试等环节。 系统集成与测试：将软硬件相结合，进行功能、性能、可靠性、兼容性等全面测试。 产品发布与维护：包括固件更新、故障排除、性能优化等。 1.4 嵌入式系统发展趋势 智能化与互联化：探讨AIoT、边缘计算在嵌入式领域的应用。 低功耗设计：分析电源效率提升、休眠模式等技术。 安全性：强调嵌入式系统的安全防护、加密技术。 虚拟化与容器化：介绍在嵌入式设备上应用虚拟化和容器技术。 RISC-V架构的兴起：分析RISC-V指令集架构的开放性、灵活性及其对嵌入式领域的影响。 第二章：C语言在嵌入式系统中的应用 2.1 C语言基础回顾与强化 数据类型、运算符、控制结构：重点回顾与嵌入式开发相关的细节，如不同类型的数据在内存中的表示、位运算等。 函数与递归：理解函数调用栈、堆栈溢出的风险。 指针与内存管理：深入讲解指针的各种用法，包括指向数组、指向结构体、函数指针、多级指针等，以及动态内存分配（malloc/free）在嵌入式中的注意事项（内存碎片、内存泄漏）。 结构体与联合体：在嵌入式中定义硬件寄存器、数据帧的结构化表示。 预处理器指令：讲解define、include、条件编译（ifdef, ifndef）等在模块化开发和条件编译中的重要性。 2.2 嵌入式C语言的特性与陷阱 位操作：深入讲解位段、位操作符（&, |, ^, ~, <<, >>）在寄存器读写、数据压缩、状态标志处理中的应用。 内存模型与关键字：讲解`volatile`关键字在处理硬件寄存器、中断服务程序中的必要性，`const`关键字的使用，`static`关键字在变量和函数作用域控制中的作用。 嵌入式C语言的指针陷阱：分析空指针解引用、野指针、指针越界、类型不匹配等常见问题。 栈与堆：解释栈溢出（Stack Overflow）的原因和防范，以及堆内存管理（malloc/free）在嵌入式中的局限性和替代方案（内存池）。 嵌入式C语言的编码规范：强调可读性、可维护性、可移植性的重要性，如命名约定、注释风格、代码缩进等。 2.3 汇编语言与C语言的混合编程 内联汇编：讲解如何在C代码中嵌入汇编指令，以实现对特定硬件的低级别控制、性能优化或调用特定指令。 汇编与C的接口：介绍如何通过函数调用、数据传递等方式在两者之间切换。 场景应用：举例说明在启动代码、中断处理、高效算法实现等场景下的混合编程需求。 第二部分：嵌入式硬件设计与接口 本部分将深入探讨嵌入式系统的硬件构成、信号处理和常用接口技术。 第三章：嵌入式系统硬件基础 3.1 处理器核心与总线 CPU架构（RISC/CISC）：对比不同架构的优缺点，以及在嵌入式系统中的选择考量。 指令集架构（ISA）：介绍ARM、MIPS、RISC-V等主流ISA的特点。 内存管理单元（MMU）与内存保护单元（MPU）：讲解它们在内存访问控制、虚拟内存、多任务保护中的作用。 总线接口：讲解地址总线、数据总线、控制总线的概念，以及各种总线协议（如AXI、AHB、APB）的层次结构和通信机制。 3.2 存储器技术 ROM（Flash、EEPROM）：讲解NOR Flash、NAND Flash的存储原理、读写特性、擦除周期，以及EEPROM的非易失性存储应用。 RAM（SRAM、DRAM）：对比SRAM的快速性与DRAM的容量优势，以及在嵌入式系统中的应用场景。 外部存储器接口：介绍SDRAM、NAND Flash、NOR Flash等外部存储器与处理器之间的接口连接和时序要求。 3.3 时钟与电源管理 时钟源：讲解晶振、RC振荡器、PLL（锁相环）等时钟源的原理和选择。 时钟树：理解系统时钟的生成、分频、倍频，以及时钟切换对系统运行速度和功耗的影响。 电源系统设计：介绍线性稳压器（LDO）、开关稳压器（DC-DC）等电源模块，以及功耗优化策略（如动态电压频率调整DVFS）。 低功耗模式：讲解待机、休眠、深度睡眠等模式的设计与实现。 3.4 中断系统 中断的产生与响应：讲解中断向量表、中断服务程序（ISR）的执行流程。 中断控制器（VIC/GIC）：介绍中断的优先级、嵌套、屏蔽、嵌套等概念。 外部中断与内部中断：区分不同类型中断的来源与处理方式。 中断与轮询的比较：分析在不同场景下选择中断或轮询的优劣。 第四章：常用通信接口与外设 4.1 通用异步收发器（UART） 工作原理：讲解串行通信、波特率、数据位、停止位、校验位等概念。 硬件电路：介绍RX、TX引脚的连接和电平标准（TTL、RS-232、RS-485）。 驱动程序设计：讲解如何通过C语言实现UART的初始化、发送、接收功能。 应用场景：如与PC通信、GPS模块、蓝牙模块等。 4.2 同步串行通信接口（SPI） 工作原理：讲解主从模式、SCK、MOSI、MISO、CS（SS）引脚的作用，全双工通信。 通信时序：详细分析CPOL（时钟极性）和CPHA（时钟相位）对数据传输的影响。 多设备连接：介绍如何使用多个CS引脚连接多个SPI从设备。 应用场景：如连接SPI Flash、LCD显示屏、ADC/DAC芯片、传感器等。 4.3 集成电路互联总线（I2C） 工作原理：讲解主从模式、SDA（数据）、SCL（时钟）引脚，半双工通信，地址寻址。 总线仲裁与多主节点：介绍I2C总线的冲突解决机制。 通信协议：详细描述START、STOP、ACK/NACK等控制信号。 应用场景：如连接I2C EEPROM、RTC时钟、传感器（温湿度、光照）、I/O扩展器等。 4.4 数模/模数转换器（DAC/ADC） ADC原理：讲解采样、量化、编码过程，分辨率、采样率、参考电压等参数。 DAC原理：讲解数字输入转换为模拟输出的过程，分辨率、输出电压范围。 接口模式：介绍SAR（逐次逼近型）、Delta-Sigma等ADC类型，以及并行、串行（SPI/I2C）DAC接口。 应用场景：如采集传感器信号（温度、压力、声音）、输出控制信号（电机速度、音频）。 4.5 通用输入/输出（GPIO） GPIO的配置：讲解输入、输出模式，上拉/下拉电阻，推挽/开漏输出。 GPIO的状态读写：掌握如何通过C语言读写GPIO端口和引脚。 GPIO中断：配置GPIO作为外部中断源，触发中断服务程序。 应用场景：控制LED、按键扫描、触发其他外设等。 4.6 其他常用外设 定时器/计数器：讲解定时、计数、PWM（脉冲宽度调制）输出等功能。 实时时钟（RTC）：介绍RTC在系统关机后维持时间的功能。 看门狗定时器（WDT）：讲解WDT用于系统复位，防止程序死锁。 DMA（直接内存访问）：介绍DMA在数据传输中减轻CPU负担的作用。 第三部分：嵌入式软件开发与系统集成 本部分将聚焦于嵌入式软件的设计、开发、调试以及软硬件的集成。 第五章：嵌入式软件设计方法 5.1 软件架构设计 分层设计：介绍应用层、中间件层、驱动层、硬件抽象层（HAL）等软件架构。 模块化设计：强调将功能分解为独立的模块，提高代码复用性和可维护性。 事件驱动设计：讲解如何基于事件（如按键按下、数据到达）来驱动程序流程。 状态机设计：用于处理复杂逻辑、不同状态之间的切换。 5.2 实时操作系统（RTOS）原理与应用 RTOS的核心概念：任务（线程）、优先级、调度器、IPC（进程间通信）、信号量、互斥锁、消息队列、事件标志等。 任务管理：讲解任务的创建、删除、挂起、恢复、切换等。 任务间通信与同步：深入分析信号量、互斥锁、消息队列、事件标志等在解决多任务协作中的作用。 中断与RTOS的交互：讲解ISR如何唤醒任务，以及中断处理过程中的同步问题。 内存管理（RTOS）：介绍RTOS提供的内存分配机制，如内存池、块分配。 RTOS在实际项目中的应用：以一个简单的多任务示例（如LED闪烁与按键响应）展示RTOS的使用。 5.3 设备驱动程序开发 驱动程序的作用：连接硬件和上层软件的桥梁。 驱动程序的设计原则：抽象性、模块化、可配置性、高效性。 HAL（硬件抽象层）的重要性：提供与具体硬件无关的接口，提高软件可移植性。 中断驱动与轮询驱动：根据外设特性选择合适的驱动方式。 设备树（Device Tree）：介绍在Linux等系统中如何使用设备树来描述硬件资源。 5.4 嵌入式软件开发工具链 交叉编译环境：讲解为什么需要交叉编译器（如GCC for ARM）以及其工作流程。 集成开发环境（IDE）：介绍如VS Code（配合插件）、Keil、IAR等IDE的功能，包括代码编辑、编译、调试、仿真。 调试器（Debugger）：讲解JTAG/SWD接口，断点、单步执行、观察变量、内存查看等调试方法。 版本控制系统（Git）：强调版本控制在团队协作和代码管理中的重要性。 构建系统（Make/CMake）：介绍如何使用自动化构建工具管理复杂的项目。 第六章：嵌入式系统调试与优化 6.1 嵌入式系统调试技术 打印调试（Printf Debugging）：最基础但常用的调试手段，分析其局限性。 硬件调试器（JTAG/SWD）：深入讲解硬件调试器的使用，包括设置断点、单步执行、查看内存、寄存器、变量。 仿真器（Simulator）与模拟器（Emulator）：介绍它们的区别和在开发早期阶段的作用。 逻辑分析仪与示波器：掌握使用这些工具来观察硬件信号、时序问题。 日志系统：设计合理的日志记录机制，便于分析运行时问题。 6.2 常见嵌入式软件问题分析与解决 程序死机（Hang/Freeze）：分析死机的常见原因（死循环、死锁、优先级反转、栈溢出）并给出排查思路。 内存泄漏与内存碎片：讲解检测和解决内存管理问题的策略。 并发与同步问题：分析竞态条件、死锁等并发症，并使用合适的同步机制解决。 实时性问题（Deadline Miss）：分析任务调度延迟、中断延迟等原因，并提出优化方案。 通信错误：如UART、SPI、I2C通信不稳定，分析时序、电平、干扰等问题。 6.3 嵌入式系统性能优化 代码优化： 算法优化：选择更高效的算法。 循环优化：展开、流水线等技术。 内联函数与函数指针优化。 位操作与寄存器优化。 内存优化： 减少内存使用：使用更紧凑的数据结构。 动态内存分配优化：内存池、内存分配器。 数据缓存与预取。 功耗优化： 降低CPU频率和电压（DVFS）。 合理利用低功耗模式。 优化外设电源管理。 I/O优化： DMA的使用。 减少不必要的I/O操作。 6.4 系统集成与验证 软硬件协同集成：强调软硬件联合调试的重要性。 单元测试、集成测试、系统测试：介绍不同层级的测试策略。 验收测试与用户测试：确保产品满足用户需求。 第四部分：进阶主题与项目实践 本部分将介绍嵌入式领域更广泛的技术和实际项目开发经验。 第七章：嵌入式通信协议与网络 7.1 串行通信协议 Modbus协议：工业领域常用，讲解主从帧格式、CRC校验。 CAN总线：汽车领域常用，讲解帧格式、仲裁机制、错误处理。 USB协议：介绍USB的设备类型、传输模式、枚举过程。 7.2 无线通信技术 Bluetooth：BLE（低功耗蓝牙）的应用，协议栈介绍。 Wi-Fi：嵌入式Wi-Fi模块的接入方式，Socket编程。 LoRa/NB-IoT：低功耗广域网技术，物联网应用。 7.3 TCP/IP协议栈在嵌入式中的应用 Socket编程：TCP、UDP的工作原理，客户端/服务器模型。 嵌入式TCP/IP协议栈（如LwIP）：介绍其特点与使用。 HTTP/MQTT等应用层协议：在嵌入式设备与服务器通信中的应用。 7.4 RTOS网络应用 网络任务的设计：如何在高并发的网络环境中保持RTOS的实时性。 网络协议栈的集成与配置。 第八章：嵌入式系统安全 8.1 安全威胁与防范 物理攻击：侧信道攻击、故障注入。 软件攻击：缓冲区溢出、代码注入、恶意软件。 通信安全：数据窃听、篡改。 8.2 加密与认证技术 对称加密（AES）与非对称加密（RSA）。 哈希函数（SHA-256）与数字签名。 安全启动（Secure Boot）：确保设备启动代码的完整性。 固件更新的安全机制。 8.3 嵌入式设备安全设计 最小权限原则。 安全硬件模块（如TPM）。 加固操作系统。 安全编码实践。 第九章：嵌入式项目开发实践 9.1 项目立项与需求分析 明确项目目标、功能范围、性能指标。 用户故事与用例分析。 9.2 硬件选型与原型开发 根据需求选择合适的处理器、传感器、执行器。 使用开发板进行快速原型验证。 9.3 软件架构与模块划分 设计可扩展、可维护的软件架构。 定义清晰的模块接口。 9.4 编码、调试与测试 遵循编码规范，进行单元测试。 多阶段的集成与系统测试。 9.5 案例研究 案例一：智能家居温湿度监控系统 硬件：MCU、温湿度传感器（I2C）、LCD显示屏（SPI）、Wi-Fi模块。 软件：RTOS、传感器驱动、LCD驱动、Wi-Fi连接、MQTT通信。 重点：传感器数据采集、RTOS任务调度、低功耗设计。 案例二：工业数据采集与传输模块 硬件：MCU、多路ADC、UART/RS485接口、CAN总线接口、SD卡存储。 软件：裸机或简单RTOS、ADC驱动、通信协议栈、文件系统。 重点：高速数据采集、可靠通信、异常处理。 案例三：便携式医疗设备的数据记录仪 硬件：低功耗MCU、EEPROM/Flash、低功耗蓝牙、传感器接口。 软件：RTOS、低功耗管理、蓝牙协议栈、数据加密。 重点：功耗优化、数据安全、无线通信。 9.6 项目管理与维护 敏捷开发方法在嵌入式项目中的应用。 固件更新（OTA）与远程维护。 本书特色 体系完整，逻辑清晰： 从基础概念到高级应用，层层递进，为读者构建全面的知识体系。 理论与实践结合： 深入浅出地讲解理论知识，并通过丰富的代码示例、案例分析来展示实际应用。 注重通用性： 聚焦于嵌入式开发中的核心技术和方法论，避免对特定芯片的过度依赖，使知识具有更广泛的适用性。 实战导向： 强调开发过程中的关键环节，如调试、优化、集成，帮助读者快速成长为合格的嵌入式工程师。 前沿技术追踪： 涵盖了物联网、嵌入式安全等当前热门领域，引领读者把握技术发展方向。 目标读者 在校大学生（计算机、电子信息、自动化等专业）。 初级嵌入式软件工程师。 希望转行从事嵌入式开发的技术人员。 对嵌入式系统感兴趣的硬件工程师。 需要掌握嵌入式开发技能的各类工程师。 通过阅读本书，您将能够： 深刻理解嵌入式系统的软硬件构成和工作原理。 熟练掌握C语言在嵌入式系统中的高级应用和开发技巧。 掌握各类常用硬件接口（UART, SPI, I2C, ADC, DAC等）的设计和驱动开发。 理解并应用实时操作系统（RTOS）来构建复杂的嵌入式应用。 掌握嵌入式系统的调试技巧和性能优化方法。 了解嵌入式通信协议、网络技术及安全防护。 通过实际案例学习项目开发的全流程。 本书旨在成为您踏入嵌入式系统开发领域、提升专业技能的得力助手。

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆