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出版者:航空工业出版社

作者:张亚华

出品人:

页数:260

译者:

出版时间:2004-9-1

价格:24.00元

装帧:平装(无盘)

isbn号码:9787801834522

丛书系列:

图书标签:

• 电子电路
• 计算机辅助设计
• CAD
• 电路分析
• 模拟电路
• 数字电路
• EDA
• 电路仿真
• 电子技术
• 高等教育

《高级嵌入式系统设计与实践：从理论到应用的全景解析》 概述 本书旨在为读者提供一套全面、深入且极具实践指导意义的嵌入式系统设计与实现方法论。在当前物联网（IoT）、人工智能（AI）与边缘计算飞速发展的时代背景下，传统的嵌入式知识体系已难以完全覆盖现代复杂系统的需求。本书聚焦于高性能、低功耗、高可靠性的新一代嵌入式系统架构，覆盖了从硬件选型、底层驱动开发、实时操作系统（RTOS）的精细化管理，到复杂算法的硬件加速与系统级安全防护等核心议题。 全书以前沿的微处理器架构（如Cortex-M7/A系列）和异构计算单元（如FPGA与专用DSP）为载体，结合最新的行业标准和开发工具链，旨在培养读者具备独立构思、设计、调试和部署复杂嵌入式产品的能力。内容强调理论与实践的紧密结合，通过大量的真实项目案例和详细的代码片段解析，确保读者能够迅速将所学知识转化为实际的工程能力。 --- 第一部分：现代嵌入式系统基石与架构演进 本部分系统梳理了构建现代嵌入式系统的核心理论框架，并深入探讨了当前主流处理器架构的特性与取舍。 第一章：嵌入式系统前沿概览与发展趋势 本章首先界定了现代嵌入式系统的内涵，将其从传统的微控制器应用拓展至包含边缘智能、联邦学习节点以及时间敏感网络（TSN）参与者的范畴。重点分析了摩尔定律放缓背景下，系统设计如何转向异构计算、近存计算（Processing-in-Memory, PIM）概念的初步探讨。同时，剖析了RISC-V架构的兴起对其在特定领域（如安全芯片、定制化SoC）的颠覆性影响。 第二章：高性能微处理器架构深度解析 本章着重剖析了ARM Cortex-M系列（特别是M7/M33）和Cortex-A系列（如A53/A72）的内部结构。详细讲解了流水线深度、分支预测机制、缓存一致性协议（如MESI）在系统性能中的作用。对于多核与大小核（big.LITTLE）架构，本书提供了详尽的线程调度与功耗管理策略，指导读者如何高效利用异构资源，避免因缓存未命中和内存访问延迟导致的性能瓶颈。 第三章：系统级互联与总线结构优化 系统的性能往往受限于内部通信带宽。本章详细阐述了AMBA（特别是AXI4/ACE协议）在SoC内部数据传输中的关键作用。内容包括交叉开关（Crossbar Switch）的设计原则、DMA控制器的高效配置，以及如何通过内存保护单元（MPU）和内存管理单元（MMU）实现资源隔离与地址转换。章节最后讨论了PCIe、USB 3.0等外部高速接口的驱动级优化技巧。 --- 第二部分：实时操作系统与并发性管理 实时性是嵌入式系统的生命线。本部分深入探讨了实时操作系统的核心机制及其在复杂任务调度中的应用。 第四章：实时操作系统（RTOS）内核机制精讲 本书选取FreeRTOS和Zephyr作为核心分析对象。细致讲解了任务状态管理、上下文切换的汇编级实现细节、优先级继承与互斥锁（Mutex）、信号量（Semaphore）等同步原语的正确使用场景与潜在死锁风险。特别关注了时间触发（Time-Triggered）调度模型与抢占式调度的权衡分析。 第五章：中断系统与精确时间控制 系统响应速度的瓶颈往往存在于中断处理链。本章详述了中断向量表、优先级配置以及延迟容忍度分析（Latency Tolerance Analysis）。重点解析了中断服务程序（ISR）的编写规范，如何最小化ISR的执行时间，以及如何利用定时器和周期性中断实现微秒级乃至纳秒级的精确时间戳和控制闭环。 第六章：跨平台驱动程序开发范式 本章侧重于编写可移植、模块化的硬件驱动程序。内容涵盖了通用I/O（GPIO）、串行通信（UART/SPI/I2C）的寄存器级操作，并引入了抽象层（HAL）的概念。通过一个复杂的传感器驱动开发案例，展示如何隔离硬件依赖代码，确保驱动程序在不同硬件平台上的快速迁移性。 --- 第三部分：面向性能与能效的底层优化 本部分聚焦于将理论性能转化为实际效率的关键技术，涵盖功耗管理、内存布局与代码级优化。 第七章：内存布局、链接脚本与数据访问优化 不良的内存布局是导致嵌入式系统性能低下的常见原因。本章详细解释了`.data`, `.bss`, `.text`段的存储位置，并指导读者如何根据处理器缓存特性，手工优化关键数据结构在SRAM/DRAM中的对齐与布局。通过解析自定义链接脚本（Linker Script），实现程序代码和数据的精确放置，以最大化缓存命中率。 第八章：功耗管理与低功耗设计策略 针对电池供电和能效敏感型应用，本章系统介绍了多种动态功耗管理技术。内容包括：时钟门控（Clock Gating）、电源门控（Power Gating）的实现，以及CPU/GPU的动态电压与频率调节（DVFS）。对于深度睡眠模式（Deep Sleep/Hibernate），详细阐述了唤醒源管理、寄存器状态保存与恢复的最佳实践。 第九章：编译优化、代码分析与性能剖析 本章讲解了如何利用GCC/Clang编译器的高级优化选项（如`-Os`, `-O3`, 目标架构特定的向量化指令）来生成更紧凑高效的代码。通过使用性能分析工具（如J-Link RTT或SystemView），对关键代码段进行周期精确的性能剖析，找出热点代码（Hotspot）并进行汇编级的手动优化，以突破编译器的优化极限。 --- 第四部分：系统级可靠性、安全与调试技术 现代嵌入式系统必须具备高可靠性和强大的安全防护能力。本部分将系统设计推向工程实践的最终阶段。 第十章：系统级可靠性与容错设计 本章探讨了如何通过硬件和软件冗余来提升系统鲁棒性。内容包括：看门狗（Watchdog Timer）的高级配置、错误校验码（ECC）在内存中的应用、以及故障注入测试（Fault Injection Testing）的基础方法。对于周期性任务，引入了双核锁步（Lockstep）架构的原理和应用场景。 第十一章：嵌入式系统安全基础与防护机制 随着连接性的增强，安全成为重中之重。本章涵盖了信任根（Root of Trust, RoT）的构建，安全启动（Secure Boot）流程的验证机制，以及数据在传输和存储过程中的加密与认证。重点分析了硬件安全模块（HSM）在密钥管理和防篡改中的作用。 第十二章：高级调试、固件更新与空中下载（OTA） 本书的最后一部分聚焦于工程部署后的维护。详细介绍了JTAG/SWD接口的深入使用，包括硬件断点、数据观察点和实时追踪技术。对于固件空中下载（OTA），重点解析了分区分级（A/B Slot）的更新策略，如何确保更新过程中系统依然保持基本功能，以及回滚机制的设计。 --- 总结 《高级嵌入式系统设计与实践》不仅仅是一本技术手册，更是一套面向未来嵌入式系统工程师的实战指南。它要求读者具备扎实的数字电路和微机原理基础，并引导他们跨越从“让程序跑起来”到“构建高性能、高可靠、可维护的工业级系统”之间的鸿沟。本书的深度和广度，将确保读者在面对下一代复杂嵌入式挑战时，拥有足够的理论储备和实践工具。

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