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出版者:清华大学出版社

作者:王喜斌

出品人:

页数:276

译者:

出版时间:2004-3-1

价格:25.00元

装帧:平装(无盘)

isbn号码:9787302079422

丛书系列:

图书标签:

• MCS-51
• 单片机
• 应用
• 教程
• 嵌入式系统
• 电子工程
• C51
• 硬件设计
• 软件编程
• 实践教学

嵌入式系统设计与实践：基于ARM Cortex-M微控制器 作者： [此处留空，或使用虚构作者名] 出版社： [此处留空，或使用虚构出版社名] ISBN： [此处留空，或使用虚构ISBN] --- 第一部分：现代嵌入式系统的基础与原理 第一章：嵌入式系统概论与发展趋势 本章将系统地介绍嵌入式系统的核心概念、定义及其在现代科技领域中的广泛应用。我们将探讨嵌入式系统区别于通用计算机系统的关键特征，例如实时性、功耗约束、专用性与可靠性要求。内容涵盖嵌入式系统的基本架构（硬件、软件与固件的集成），以及当前行业内的主要发展趋势，包括物联网（IoT）、边缘计算、低功耗广域网络（LPWAN）技术的兴起。此外，还将分析嵌入式系统设计中常见的挑战，如资源受限环境下的软件优化和系统级安全防护。重点将放在理解嵌入式系统作为实现特定功能的“智能体”所扮演的角色。 第二章：微控制器选型与架构对比 本章深入探讨不同类型的微控制器（MCU）架构。在对经典的8位和16位MCU进行简要回顾后，重点聚焦于当前主流的32位ARM Cortex-M系列处理器。我们将详细解析Cortex-M内核的特点，包括其流水线设计、指令集（Thumb-2）的优势及其对代码密度和执行效率的影响。内容将对比Cortex-M0, M3, M4（含FPU）和M7系列在性能、功耗和集成度上的差异，帮助读者建立清晰的选型标准。同时，引入片上系统（SoC）的概念，讨论存储器映射、总线结构（如AHB/APB）以及各种外设接口的集成方式。 第三章：C/C++在嵌入式软件开发中的应用 虽然汇编语言在特定场景下仍有价值，但现代嵌入式开发的主流语言是C和C++。本章侧重于C语言在资源受限环境下的高级应用技巧。我们将探讨指针操作的高级用法、位域（Bit Fields）的精确控制、`volatile`关键字的正确使用及其在硬件寄存器访问中的重要性。对于C++，本章将介绍其在嵌入式领域（如嵌入式C++）的应用，包括面向对象设计在复杂驱动开发中的优势、模板（Templates）在实现通用性抽象层中的作用，以及嵌入式实时操作系统（RTOS）对C++特性的兼容性考量。代码效率和可移植性将贯穿本章的讨论。 第四章：中断系统与实时性保证 实时性是嵌入式系统设计的生命线。本章详细讲解了中断（Interrupt）的工作原理，包括中断向量表、优先级分配机制以及中断服务程序（ISR）的编写规范。核心内容将围绕ARM的嵌套向量中断控制器（NVIC）展开，解析其硬件特性，如中断嵌套、尾部调用优化（Tail-Chaining）和中断延迟的最小化策略。我们将通过实例演示如何设计高效且无抖动的实时任务调度，确保系统满足严格的时序要求。同时，讨论软件看门狗定时器（WDT）和电源管理模式在保证系统健壮性中的作用。 --- 第二部分：Cortex-M微控制器硬件接口详解 第五章：时钟系统、复位与低功耗管理 本章专注于MCU的“生命支持”模块。详细解析片上振荡器（内部/外部晶振）、PLL（锁相环）的配置，以及如何通过RCC（复位与时钟控制）模块实现灵活的系统时钟源切换和频率分频。重点阐述系统复位流程，包括上电复位（POR）、欠压检测（BOD）和外部复位引脚的功能。此外，深入探讨ARM Cortex-M架构支持的多种低功耗模式（如Sleep, Stop, Standby），并指导读者如何精确地编程进入和唤醒这些模式，以实现电池供电应用中的能效优化。 第六章：通用I/O端口（GPIO）的高级配置 虽然GPIO看似简单，但其配置的精细度直接影响系统性能和功耗。本章将超越基本的输入/输出设置，深入讲解GPIO的高级功能，如推挽/开漏输出模式的选择、上下拉电阻的配置、高速/低速驱动能力的选择。更重要的是，我们将探讨GPIO的复用功能（Alternate Function），即如何将特定引脚配置为模拟输入、定时器输出或特定通信协议的物理层接口。通过寄存器级操作，读者将掌握如何实现对引脚状态的精确控制和周期性电平切换。 第七章：定时器与脉冲宽度调制（PWM）技术 定时器是嵌入式系统中进行精确时间度量的核心外设。本章系统介绍通用定时器（General Purpose Timer）的工作模式，包括向上计数、向下计数、中央对齐模式。我们将详细剖析如何利用定时器实现周期性中断和输入捕获功能。随后，重点转向脉冲宽度调制（PWM）技术的应用，不仅包括基础的电机控制、LED亮度调节，还包括如何配置互补PWM信号用于全桥或半桥驱动器。内容将涉及死区时间（Dead Time）的设置，以避免功率器件的直通损耗。 第八章：模/数转换器（ADC）与数/模转换器（DAC） 本章探讨MCU内部的模拟前端接口。对于ADC，我们将讲解其采样率、分辨率、参考电压的选择及其对测量精度的影响。深入分析多通道扫描模式、单次转换、连续转换以及DMA辅助下的高速数据采集流程。本章还将介绍过采样（Oversampling）和平均滤波技术在提高ADC信噪比中的作用。对于DAC，我们将探讨其在生成标准模拟信号（如音频波形或控制电压）方面的应用，并讨论输出缓冲和线性度校准。 --- 第三部分：通信接口与数据交互 第九章：串行通信协议 I：UART/USART 通用异步收发传输器（UART/USART）是最基础的点对点串行通信接口。本章详细介绍异步通信的原理，包括波特率的计算、数据帧格式（起始位、数据位、校验位、停止位）的配置。重点在于如何使用硬件FIFO和DMA来高效处理大量串行数据流，避免CPU在低速通信中的大量轮询开销。此外，还将讨论RS-232、RS-485等常见物理层标准的接口匹配和电平转换问题。 第十章：串行通信协议 II：同步总线 SPI 与 I2C 同步通信协议在连接外部传感器、存储器和显示设备时至关重要。本章详细解析串行外设接口（SPI）的四线工作模式（主/从模式、时钟极性与相位CPOL/CPHA的组合），以及I2C（Inter-Integrated Circuit）协议的二线操作机制，包括地址寻址、仲裁机制和多主站冲突解决。本章将通过实际案例（如读取EEPROM或OLED显示屏）演示如何编写健壮的驱动代码来管理这些总线上的数据读写操作。 第十一章：网络化通信：CAN 总线与 USB 设备接口 随着嵌入式系统功能复杂化，对可靠、高速的现场总线和通用主机接口的需求日益增加。本章首先介绍CAN（Controller Area Network）总线的概念，重点分析其在汽车电子和工业控制中的应用，包括帧格式、错误检测和仲裁机制。随后，本章将转向USB（通用串行总线）接口，聚焦于Cortex-M系列MCU中常见的USB Device模式，介绍端点（Endpoint）的概念，以及如何实现CDC（虚拟串口）或HID（人机接口设备）等基础协议栈，以实现与PC的交互。 --- 第四部分：软件架构与高级主题 第十二章：实时操作系统（RTOS）核心概念与应用 现代复杂嵌入式系统几乎都采用RTOS来管理并发和时间约束。本章全面介绍RTOS的基本构成，包括任务（Task）管理、上下文切换、内核调度算法（如固定优先级、轮转）。重点讲解信号量（Semaphore）、互斥锁（Mutex）在同步资源访问中的应用，以及事件标志组（Event Flags）和消息队列（Message Queue）在任务间通信中的作用。将以FreeRTOS或Zephyr等主流RTOS为例，指导读者搭建第一个多任务应用。 第十三章：内存管理与固件更新（OTA）机制 本章探讨嵌入式系统中的内存布局（栈、堆、数据段、代码段）及其在启动过程中的初始化。讨论如何使用链接脚本（Linker Script）来精确控制代码和数据的物理存储位置。随后，转向系统可靠性与可维护性，深入剖析应用程序的固件空中升级（OTA）机制，包括双备份（Dual Bank）存储方案、固件校验（CRC）以及安全引导（Secure Boot）的基础概念。 第十四章：系统调试、测试与性能分析 有效的调试是嵌入式开发的关键。本章介绍JTAG/SWD调试接口的工作原理及其在硬件调试中的应用，重点讲解使用调试器（如Keil MDK或STM32CubeIDE）设置断点、观察内存和寄存器状态的技巧。此外，还将介绍静态代码分析工具的使用，以及运行时性能分析技术，如使用DWT（数据观察点和跟踪）单元或逻辑分析仪来测量关键代码段的执行时间，确保系统满足性能指标。 附录：常用寄存器编程速查表与工具链配置指南

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我花了相当一段时间对比了市面上几本主流的单片机入门书籍，这本书在理论深度与实践广度之间的平衡做得最为出色。它没有陷入那种仅仅停留在概念介绍的层面，而是非常扎实地构建了从底层硬件原理到上层应用软件设计的一整套知识体系。书中对8051核心架构的解析，简直可以说是一次微型的、自洽的计算机原理学习之旅，它把复杂的流水线和寄存器操作用非常直观的方式串联起来了。更让我佩服的是，作者在讲解每一个新指令或新功能块时，都会紧接着抛出一个具有挑战性但又极具启发性的应用实例。这些案例并非简单的“点亮LED”之流的重复练习，而是涵盖了数据采集、定时器中断的高级应用，甚至是简单的串行通信协议解析。这种“先理论，后实战”的节奏掌握得恰到好处，让人学完一个知识点后，立刻就能将其锚定在一个具体的工程问题上，极大地促进了知识的内化和迁移能力。对于希望系统性掌握该领域知识的读者而言，这本书提供的知识结构是极其稳固的。

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这本书的排版和印刷质量实在让人眼前一亮，初次翻阅时，那种纸张的触感和清晰的图文布局就给我留下了极佳的第一印象。装帧设计得非常考究，封面简洁而不失专业感，内页的色彩搭配也恰到好处，长时间阅读也不会感到视觉疲劳。尤其值得称赞的是，书中大量使用的高质量电路原理图和实物照片，细节处理得非常到位，很多复杂的结构在图示的辅助下瞬间变得清晰明了。例如，在讲解某个关键芯片的引脚功能时，不仅给出了标准的二维图，还配上了三维示意图，这对于初学者理解元件的物理布局和实际焊接时的操作规范非常有帮助。文字部分的字体选择和行间距拿捏得也相当到位，使得即使是技术性很强的描述，读起来也显得流畅自然。这种对细节的极致追求，体现了编者对读者体验的重视，让人感觉这不是一本冷冰冰的技术手册，而更像是一位经验丰富的工程师在手把手地指导你。总而言之，从物理层面来说，这是一本可以长期珍藏和反复翻阅的优秀教材，阅读体验直接提升了学习的积极性。

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关于书中配套的实验和项目指导部分，我认为其设计思路非常具有前瞻性和实用性。它并没有止步于仿真环境，而是对硬件搭建的每一个环节都进行了细致的讲解，特别是对实验硬件选型和调试过程中可能遇到的硬件层面的干扰和噪声抑制，提供了非常具体的建议。例如，在设计涉及到模数转换的实验时，书中明确指出了地线处理和滤波电容放置的关键位置，这些都是实际工程中决定项目成败的细微之处。此外，书中给出的代码示例结构清晰，注释详尽，更重要的是，它们往往是模块化的，这使得读者在学习完基础模块后，可以很方便地将这些模块像积木一样组合起来，构建更复杂的系统。这种模块化思维的培养，对于未来从事嵌入式系统开发至关重要。它不仅仅是在教你如何“实现”功能，更是在潜移默化中训练你如何“构建”一个健壮的系统。这种从细节到宏观的完整指导，极大地增强了读者的工程实践能力。

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深入阅读后，我感受到了作者在内容选择上的匠心独运，特别是对经典与前沿的把握。这本书虽然聚焦于MCS-51这一经典架构，但它并未将其视为一个过时的知识点来敷衍了事，反而将其作为理解现代微控制器设计思想的坚实基石。书中对8051内部存储器结构、中断系统的优先级管理等核心机制的深入剖析，为理解后续更复杂的ARM或RISC-V架构的内存模型和中断控制器提供了绝佳的参照系。作者的功力在于，他能将这些相对古老的指令集特性，用现代软件工程的视角去重新审视和解构，从而揭示出其设计哲学中的精妙之处。这种超越时间限制的教学方法，使得这本书的价值得以延续。它不仅仅是一本关于特定芯片的教程，更像是一本关于嵌入式系统底层逻辑的入门精讲。对于任何想要在电子控制领域打下扎实基础的人来说，这本书无疑提供了最可靠的起点和最坚实的理论支撑。

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这本书的叙述风格非常务实，带着一种久经沙场的工程师特有的严谨和犀利，完全杜绝了学院派教材中常见的冗长和空泛。作者似乎深知初学者的痛点，总能在关键的转折点上提供过来人的经验之谈。比如，在讨论I/O端口的配置时，书中不仅仅是罗列了寄存器的位定义，而是着重强调了在上电复位后必须立即执行的初始化步骤，并解释了为什么不这样做会导致不可预期的行为——这种对“陷阱”的预警，是教科书里学不到的宝贵财富。语言上，它避免了过多的晦涩术语堆砌，即使是引入新的概念，也会用最朴素的比喻来辅助理解，读起来有一种如沐春风的感觉。而且，作者似乎对不同读者的学习路径有着深刻的理解，章节的编排逻辑非常流畅，知识点之间的衔接自然平滑，很少出现“此处需要读者自行脑补”的断裂感。这种将复杂问题简单化、抽象概念具象化的能力，是衡量一本优秀技术书籍的关键标准，而这本书在这方面表现卓越。

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