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出版者:第1版 (2005年1月1日)

作者:沈晋源

出品人:

页数:247

译者:

出版时间:2005-1

价格:24.00

装帧:平装

isbn号码:9787111158820

丛书系列:

图书标签:

• 11
• 1111
• 单片机
• 嵌入式系统
• 应用设计
• 电子工程
• 硬件开发
• 软件编程
• C语言
• 实践教程
• 系统设计
• 工程实例

科技前沿探索：嵌入式系统中的智能算法与实践 图书简介 本书旨在为读者提供一个全面而深入的视角，探索现代嵌入式系统设计与开发领域的前沿技术，特别是聚焦于如何将先进的智能算法有效地集成到资源受限的硬件平台之上。不同于侧重于基础微控制器编程和外设驱动的传统教材，本书将技术重点放在“系统”与“智能”的深度融合上，强调在实际工程约束下实现高效能、低功耗的智能决策与控制。 第一部分：新一代嵌入式硬件架构与资源管理 本部分将系统梳理当前主流与新兴的嵌入式处理器架构，重点分析其在并行计算、低延迟响应以及能效比方面的特性。 第一章：异构计算平台的兴起与选型 本章详细对比了传统冯·诺依曼结构微控制器（MCU）与现代多核异构处理器（如包含DSP、FPGA或专用AI加速单元的SoC）的设计哲学差异。我们将深入探讨内存层次结构（Cache、SRAM、eMMC/UFS）对实时性算法执行效率的影响，并提供一套系统的硬件选型评估框架，用以指导读者根据应用场景（如自动驾驶辅助、工业物联网数据预处理）选择最合适的计算单元。内容将涵盖总线仲裁机制、跨域数据传输的延迟分析，以及如何利用硬件虚拟化技术隔离不同功能模块的资源需求。 第二章：实时操作系统（RTOS）的深度优化与调度策略 深入讲解主流实时操作系统（如FreeRTOS、Zephyr、VxWorks）的内核机制。重点不在于API调用，而在于内核调度的优化。我们将分析周期性任务调度（如Rate Monotonic Scheduling, RMS）与截止期单调调度（Deadline Monotonic Scheduling, DMS）在实际系统中的应用与局限性。此外，本章会详细剖析中断服务程序（ISR）的设计原则、上下文切换的开销分析，并介绍如何利用时间触发（Time-Triggered）架构来保证关键任务的确定性。针对多核系统，我们将讨论锁粒度控制、无锁数据结构（Lock-Free Structures）的设计与实现，以最大化并行处理效率并避免死锁。 第三章：低功耗设计与能源管理技术 在电池供电或能源敏感的嵌入式设备中，能效是核心指标。本章从硬件层面和软件层面双管齐下。硬件方面，讨论动态电压与频率调节（DVFS）技术在不同工作负载下的动态管理策略，以及电源门控（Power Gating）的应用。软件方面，着重讲解如何设计高效的睡眠/唤醒机制（如事件驱动唤醒、周期性定时唤醒），并引入“任务能量剖面”的概念，通过代码重构和算法选择，最小化单位计算任务的能量消耗。 第二部分：嵌入式智能算法的裁剪与部署 本部分聚焦于如何将高性能的智能算法（特别是机器学习模型）适配到资源受限的嵌入式硬件上，实现高效的边缘计算。 第四章：轻量级模型设计与量化技术 现代深度学习模型普遍存在体积庞大、计算量高的问题。本章介绍模型压缩与轻量化的关键技术。详细解析模型剪枝（Pruning）的稀疏化技术，包括非结构化剪枝和结构化剪枝对硬件加速器兼容性的影响。核心内容将放在模型量化（Quantization）上：从训练后量化（Post-Training Quantization, PTQ）到量化感知训练（Quantization-Aware Training, QAT）。本章将提供使用不同位宽（如INT8、INT4甚至二值化）对模型性能（精度）和推理速度（延迟、功耗）进行权衡的实战案例分析。 第五章：高效推理引擎与硬件加速 介绍部署智能算法所需的软件栈。对比TensorRT、OpenVINO、TFLite Micro等主流边缘推理框架的底层机制。重点分析这些框架如何利用特定硬件指令集（如SIMD、NEON）来加速矩阵运算。对于使用FPGA或ASIC加速器的系统，本章将探讨如何使用硬件描述语言（如Verilog/VHDL）设计定制化的神经元计算单元，实现高吞吐量、低延迟的并行推理。 第六章：自适应控制与强化学习在嵌入式系统中的应用 超越传统的PID控制，本章探讨嵌入式系统如何实现更高级别的自主决策。我们介绍Model Predictive Control (MPC) 在实时系统中的近似实现方法，以应对非线性系统和约束优化问题。此外，将引入强化学习（RL）的基础概念，并探讨如何将离策略（Off-Policy）或在策略（On-Policy）的RL算法裁剪为嵌入式友好版本，应用于如机器人路径规划、能源网格优化等场景。重点讨论模型训练与在线学习（Online Learning）的资源隔离与安全性保障。 第三部分：系统集成、验证与安全实践 本部分关注于如何确保智能嵌入式系统的可靠性、可维护性以及面对恶意攻击的鲁棒性。 第七章：端到端系统的集成与性能瓶颈分析 本章提供一个完整的系统集成流程，从传感器数据采集、预处理、模型推理到最终的执行器控制。我们将使用系统级仿真工具（如SystemC或特定厂商的仿真环境）来模拟整个数据流。关键在于建立一套系统级延迟预算模型，识别并解决跨越多个软件层级和硬件模块的性能瓶颈，确保系统的端到端实时性满足设计要求。 第八章：固件安全与可信执行环境（TEE） 随着设备联网，安全性成为不可或缺的一环。本章深入探讨嵌入式设备面临的安全威胁，如代码注入、侧信道攻击和知识产权窃取。我们将详细介绍硬件信任根（Root of Trust, RoT）的建立，以及如何利用现代处理器提供的可信执行环境（如ARM TrustZone）来隔离关键算法和敏感数据。内容包括安全启动流程（Secure Boot）、固件空中下载（OTA）的安全更新机制和差分隐私在边缘数据处理中的应用。 第九章：面向工业标准的验证与调试方法 强调在工程实践中，验证和调试的复杂性。讨论如何构建硬件在环（Hardware-in-the-Loop, HIL）测试平台，以应对快速迭代的智能算法。本章介绍非侵入式调试技术（如JTAG/SWD的高级功能、逻辑分析仪的同步采集），并讲解如何结合软件测试覆盖率工具和内存泄漏检测工具，确保高可靠性嵌入式软件的质量。 总结与展望 本书的最终目标是培养具备跨领域知识的工程师，能够将理论上的智能算法与严苛的嵌入式系统约束相结合，设计出高性能、低功耗、高可靠性的下一代智能终端设备。读者在完成本书的学习后，将能够独立应对从硬件选型到算法部署、再到系统安全加固的全流程挑战。

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这本书的装帧设计真是让我眼前一亮，封面采用了沉稳的深蓝色调，配上简洁有力的白色字体，一眼就能感受到它专业而严谨的气质。初次翻阅时，我特别留意了目录结构，它清晰地将整个单片机系统的设计流程划分成了若干个逻辑清晰的模块，从基础的硬件选型到复杂的软件编程，再到最后的系统调试与优化，脉络非常分明。特别是它在介绍特定微控制器架构时的详尽程度，简直令人称赞。作者似乎非常注重理论与实践的结合，书中大量的工程案例分析，都不是那种浮于表面的简单演示，而是深入到了电路图的每一个细节，以及程序中关键算法的实现逻辑。比如，它对中断服务程序的优化策略，就提供了好几种不同场景下的解决方案，这对于我这种需要快速上手并解决实际问题的工程师来说，无疑是极大的帮助。此外，书中对各种外设接口的讲解也极其到位，无论是SPI、I2C这种常见的总线协议，还是更复杂的如CAN总线，都有专门的章节进行剖析，配以精美的时序图和代码示例，让人茅塞顿开。我感觉这本书不仅仅是一本教材，更像是一位经验丰富的老工程师在手把手地指导你完成一个完整的项目。

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我必须强调一下这本书在选材上的前瞻性。尽管它是一本聚焦于“单片机”的著作，但作者巧妙地将一些前沿的嵌入式技术融入其中，使得内容既扎实又不过时。例如，书中不仅覆盖了传统的串行通信，还加入了对现代物联网应用中常用的MQTT协议在资源受限设备上的实现探讨，虽然篇幅不长，但却指明了学习的方向。此外，对于嵌入式软件的**版本控制和持续集成（CI）**理念，作者也进行了初步的介绍，这在很多老旧的教材中是完全看不到的。它提醒我们，设计一个好的系统，不仅要考虑硬件的稳定运行，还要考虑软件的迭代效率和可维护性。这种将传统嵌入式开发与现代软件工程方法论相结合的视角，让这本书在众多技术书籍中脱颖而出。读完后，我感觉自己不仅掌握了如何让一个灯泡闪烁起来，更重要的是，我明白了如何去设计一个能够长期稳定运行、易于维护和未来升级的工业级嵌入式产品。这本书确实为我的专业技能树增添了非常坚实的一层。

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这本书的价值远超其标价，特别是其中关于实时操作系统（RTOS）在嵌入式系统中的应用部分，简直是点睛之笔。在过去，我一直觉得RTOS的引入会大大增加系统的复杂度，但在阅读了书中关于任务调度、信号量和消息队列的实战案例后，我对如何在资源有限的单片机上构建健壮的多任务系统有了全新的认识。作者并没有照搬某个特定的RTOS文档，而是基于一个简化的内核模型，推导出常用的同步机制的底层实现逻辑，这种从零开始的推导过程，极大地锻炼了读者的底层思维能力。我特别喜欢它在错误处理章节的论述，不仅仅停留在简单的`if-else`判断上，而是深入探讨了看门狗（Watchdog Timer）的合理配置、系统重启策略的优先级，以及如何通过日志机制快速定位非确定性故障。这种面向“系统可靠性”的设计理念，是教科书往往会略过的，但却是工程实践中最宝贵的一课。这本书的实践性体现在每一个细节中，让人感觉自己不是在“学习知识”，而是在“积累经验”。

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说实话，我一开始对这类技术书籍抱有一种审慎的态度，因为很多市面上的资料往往是“为写书而写书”，内容堆砌，但这本书完全颠覆了我的这种刻板印象。它最让我欣赏的一点是其对底层硬件特性的挖掘深度。很多教程只停留在“调用库函数”的层面，但这本书敢于深入到寄存器操作的层面去讲解，解释了为什么某些操作需要特定的延时，或者在特定模式下需要设置哪几位标志位。这种“知其然更知其所以然”的讲解方式，极大地增强了我对单片机工作原理的理解，不再满足于仅仅让程序跑起来，而是追求让它跑得更稳定、更高效。尤其是在电源管理和低功耗设计这一章，书中详细论述了不同工作模式下的电流消耗模型，并给出了实用的软件技巧来延长电池寿命，这对于我目前正在开发的便携式设备项目至关重要。我记得有一段关于ADC采样的内容，它不仅解释了采样率和量化误差的关系，还引入了数字滤波的概念，使得最终的数据输出平滑度有了质的飞跃。这本书无疑是为那些想从“操作者”升级为“设计者”的读者量身定做的。

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这本书的排版和图示质量高得惊人，这在技术书籍中常常是一个被忽视的环节，但在这里却做得极为出色。插图清晰、比例准确，特别是那些涉及到复杂逻辑或数据流的流程图，它们的箭头走向和状态标记都非常明确，避免了阅读时的歧义。对比我以前看过的几本同类书籍，它们的很多电路图小得像指甲盖，代码块也常常出现格式错乱的问题，读起来非常费力。而这本《单片机应用系统设计》则完全没有这个问题，大开本的设计让电路图可以完整展开，代码的字体和缩进都保持了极佳的可读性。更值得一提的是，作者似乎对不同读者的认知起点有充分的考量，在引入高级概念之前，总会用一个简单易懂的类比来铺垫。比如，在讲解定时器溢出周期时，他用了日常生活中“秒表归零”的例子进行类比，一下子就拉近了理论与日常经验的距离。这种细致入微的考虑，让即便是初次接触单片机硬件抽象概念的读者，也能较快地跟上思路，而不会因为晦涩的术语而望而却步。

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