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出版者:科学出版社

作者:卢菊洪 编

出品人:

页数:129

译者:

出版时间:2003-8

价格:14.00元

装帧:

isbn号码:9787030120533

丛书系列:

图书标签:

• 数字电路
• 逻辑设计
• 实训
• 教程
• 电子技术
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• 数字系统
• FPGA
• Verilog
• VHDL

嵌入式系统设计与实践：基于ARM Cortex-M微控制器 书籍简介 本书旨在为读者提供一个全面、深入且注重实践的嵌入式系统设计与开发指南，重点聚焦于当前工业界和学术界广泛采用的ARM Cortex-M系列微控制器。随着物联网（IoT）、工业自动化、智能硬件的飞速发展，掌握基于高性能、低功耗微控制器的系统设计能力已成为电子工程、计算机科学及相关领域专业人员的核心竞争力。 一、 理论基础与硬件选型 本书从嵌入式系统概述入手，详细阐述了嵌入式系统的基本架构、组成部分（处理器、存储器、外设）以及与传统计算机系统的本质区别。随后，深入剖析了ARM Cortex-M内核的架构特性。我们将聚焦于Cortex-M3/M4（如STM32F系列）的流水线设计、寄存器组、特权模式（线程模式与处理模式）、中断与异常处理机制（NVIC的配置与优先级管理）。 硬件选型部分，本书不仅介绍了如何阅读和理解微控制器的芯片数据手册（Datasheet）和参考手册（Reference Manual），还特别强调了系统启动过程的分析，包括上电复位序列、启动代码（Startup Code）的作用以及内存映射的配置。读者将学习到如何根据项目需求（如功耗、处理速度、集成度）选择合适的微控制器型号。 二、 汇编语言与C/C++编程基础 虽然现代嵌入式开发主要依赖C/C++，但理解底层汇编语言对于高效调试和优化至关重要。本书提供了一个针对ARM Thumb指令集的入门教程，重点讲解常用指令、函数调用约定（AAPCS）以及如何通过汇编嵌入C代码实现特定的时序控制或硬件操作。 在C语言方面，本书将深入探讨嵌入式C的特性，包括易失性（`volatile`）关键字的正确使用、位域（Bit-fields）操作、指针算术以及内存分配策略（栈、堆、数据段）。此外，我们将引入C++在嵌入式系统中的应用，特别是面向对象编程（OOP）思想如何应用于驱动程序和中间件的设计，以增强代码的可维护性和复用性。 三、 核心外设驱动开发 系统的核心价值在于与物理世界的交互，这依赖于对片上丰富外设的精确控制。本书将系统性地讲解主流外设的寄存器级编程方法，并辅以HAL（硬件抽象层）库的对比分析。 1. GPIO（通用输入输出端口）： 深入探讨输入模式（浮空、上拉/下拉、开漏）、输出模式（推挽、开漏）、高速率配置、电气特性分析以及抖动消除技术。 2. 定时器/计数器（Timer/Counter）： 详细讲解基本定时器、高级定时器（PWM生成、捕获/比较）、输入捕获模式的实现原理，以及如何利用硬件定时器实现精确的时间测量和周期性任务调度。 3. 中断与异常处理（NVIC）： 不仅限于中断使能，更重要的是理解中断优先级分组、抢占与响应机制。我们将实践如何编写高效、原子性的中断服务程序（ISR），避免竞态条件。 4. 串行通信接口： 全面覆盖异步（UART/USART）和同步（SPI、I2C）通信协议。重点剖析它们在主机/从机模式下的时序要求，并提供例如传感器数据采集（I2C）和高速数据传输（SPI）的实战案例。 5. 模数/数模转换器（ADC/DAC）： 讲解采样定理、量化误差，不同转换模式（单次、连续、扫描）的配置。ADC的DMA（直接存储器访问）结合是本书重点内容，展示如何实现无需CPU干预的高速数据采集。 四、 存储器系统与DMA 现代嵌入式系统对数据吞吐量要求极高，CPU不应被低速数据搬运所占据。本书将详细阐述DMA控制器的工作原理，包括： DMA通道配置： 源地址、目标地址、数据宽度、传输模式（循环/非循环）。 总线架构： AHB/APB总线矩阵的交互，理解DMA如何通过总线仲裁器访问内存和外设。 应用实例： 利用DMA实现高速ADC数据传输至内存，以及内存数据到UART的批量发送。 同时，存储器部分将涵盖Flash、SRAM的访问特性，以及外部存储器（如SDRAM）的初始化与接口设计。 五、 实时操作系统（RTOS）入门与应用 对于复杂的嵌入式应用，裸机编程的局限性日益凸显。本书引入μC/OS-III或FreeRTOS作为实践平台。内容包括： 1. RTOS核心概念： 任务（Task）的概念、状态切换、优先级继承与避免优先级反转。 2. 进程间通信（IPC）： 信号量（Semaphore）、消息队列（Message Queue）、互斥锁（Mutex）和事件组（Event Group）的正确使用场景与陷阱。 3. 系统级设计： 如何使用RTOS调度器来管理多任务并发，确保系统的实时性与确定性。我们将通过一个多传感器数据融合与控制系统案例来演示RTOS的优势。 六、 系统调试、优化与项目实践 高质量的嵌入式开发离不开有效的调试手段。本书将介绍使用JTAG/SWD调试接口，结合Keil MDK或STM32CubeIDE等工具进行硬件在环调试。重点讲解断点设置、单步执行、寄存器/内存监视、实时跟踪（Tracing）的应用。 性能优化是嵌入式设计的关键。我们将讨论代码优化（循环展开、查找表替代计算）和功耗优化（时钟门控、低功耗模式的应用）。 全书以一个基于ARM的智能环境监测系统作为贯穿始终的综合性项目，涵盖了传感器接口、数据处理、网络通信（如简单的TCP/IP或LoRaWAN协议栈集成）和人机交互（LCD/OLED显示）的完整开发流程，确保读者能够将所学知识转化为实际可用的工程能力。

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翻开这本关于嵌入式系统架构的专著，我立刻被它对底层硬件与软件交互的深刻洞察力所吸引。这本书没有沉溺于某个特定处理器的细节，而是致力于构建一个跨平台的、通用的系统思维框架。它详尽地阐述了内存层次结构，从寄存器到主存的访问延迟是如何影响程序性能的，并巧妙地将缓存一致性问题与多核编程的同步机制联系起来，形成了一个完整的性能优化闭环。我特别欣赏其中关于中断处理和异常流程的论述，作者用流程图和时序图将复杂的上下文切换过程描绘得淋漓尽致，避免了传统教材中那种晦涩难懂的文本描述。此外，书中关于总线仲裁和DMA（直接存储器访问）的章节，提供了一个极佳的视角来理解I/O操作如何绕过CPU核心，从而实现高效率的数据吞吐。对于希望从应用层向底层系统编程迈进的开发者而言，这本书提供了一种结构化的路径，帮助我们理解“代码是如何真正运行在硅片上”的底层逻辑，是拓宽技术视野的绝佳读物。

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这本关于电路原理的入门读物，简直是为像我这样的电子工程初学者量身定做的。它没有直接深入到复杂的器件层面，而是花了大量篇幅在基础的物理概念上打磨，比如电阻、电容和电感在交流电路中的行为，以及它们如何共同决定整个系统的动态响应。作者的叙述非常清晰，尤其是在解释RLC串联和并联谐振时，配图和例题的衔接堪称完美，让我这个过去对相位差感到头疼的人，终于在脑海中勾勒出了一个清晰的波形图。书中还穿插了大量历史背景和实际应用案例，比如早期无线电接收机的工作原理，这极大地激发了我对这门学科的兴趣，让我明白这些枯燥的公式背后蕴含着巨大的工程智慧。此外，作者在数学推导上保持了一种恰到好处的平衡，既没有过度简化到失去严谨性，也没有陷入纯理论的泥潭，每一步的过渡都考虑到了初学者的认知曲线，让人读起来感到既充实又不至于产生挫败感。对于任何想系统性建立扎实电学基础的人来说，这本书绝对是值得反复研读的宝典。

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我对这本关于电磁波理论和传输线的教材爱不释手，它成功地将麦克斯韦方程组的抽象美感与实际工程应用紧密结合起来。很多教材在讲解波导管或传输线时，常常让学生迷失在复杂的矢量微积分中，但这本书的策略是先建立起一个宏观的场模型，然后逐步引入边界条件，用一种近乎几何学的方式来解释波的传播和反射现象。特别是对于史密斯圆图的应用，书中提供的解题步骤详细到令人发指，每一步的几何意义都被清晰地标注出来，这使得原本被视为工程“黑魔法”的阻抗匹配问题，变成了一套可学习、可掌握的工具。作者在解释集肤效应和趋肤深度时，还结合了高频PCB设计的实际考量，让我明白为什么高频电路板上的走线需要考虑宽度而非仅仅是长度。这本书的价值不仅在于教授了理论知识，更在于它培养了一种“场”的直觉，一种在看不见的地方思考电流和电压分布的能力，这对于射频和微波工程师来说，是至关重要的核心素养。

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这本关于现代控制理论的教材，无疑是为有志于深入研究自动控制系统的读者准备的硬核之作。它摒弃了传统基于传递函数的过度简化模型，直接将焦点放在了状态空间表示法上，这对理解复杂多输入多输出（MIMO）系统的内部动态至关重要。书中对能控性和能观性的分析，并非简单的数学判定，而是结合了系统反馈设计中的实际约束条件进行探讨，使得理论与实践的联系更为紧密。我尤其赞赏它在介绍现代控制方法时的严谨性，例如LQR（线性二次调节器）的设计，作者不仅给出了最优控制器的公式，还详细讨论了权重矩阵的选择对系统暂态响应和稳态性能的微妙影响，这直接关系到工业控制系统的鲁棒性。此外，对非线性系统的描述，虽然篇幅不多，但引入了李雅普诺夫稳定性理论的直观解释，为更深层次的研究打下了坚实的基础。对于已经掌握经典控制的读者，这本书提供了一个必要的跳跃点，帮助我们进入更具挑战性和实用性的现代控制领域。

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我最近在整理我那堆老旧的模拟电子技术书籍，发现这本关于信号处理的著作真是别具一格。它不像很多教材那样堆砌复杂的傅里叶级数和拉普拉斯变换的定义，而是从一个更直观的角度切入，探讨信息是如何在噪声环境中被提取和重建的。书中对于滤波器设计的部分，特别是介绍巴特沃斯和切比雪夫响应时，没有仅仅停留在代数运算上，而是深入剖析了它们在频域和时域之间的权衡取舍，这一点对于实际的硬件实现至关重要。更令人惊喜的是，它花了整整一个章节来讨论采样定理及其在数字信号处理中的重要性，通过生动的例子说明了混叠现象的危害，让我对模数转换器的设计有了全新的认识。这本书的语言风格非常具有启发性，作者似乎更像一位经验丰富的工程师在分享心得，而不是一位教授在传授知识，这种接地气的叙述方式使得原本抽象的数学模型变得触手可及，对于从事音频处理或通信系统设计的人员来说，无疑是一份宝贵的参考资料，它教会了我如何“聆听”信号本身。

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