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出版者:清華大學

作者:李錚

出品人:

頁數:363

译者:

出版時間:2005-2

價格:28.00元

裝幀:

isbn號碼:9787302102236

叢書系列:

圖書標籤:

• C語言
• 程序設計
• 基礎
• 入門
• 教材
• 計算機科學
• 編程
• 算法
• 數據結構
• 實踐

《嵌入式係統設計與實踐：基於ARM Cortex-M微控製器》 內容簡介 本書旨在為讀者提供一個全麵、深入且實用的嵌入式係統設計與開發指南，重點聚焦於當前業界應用最為廣泛的ARM Cortex-M係列微控製器。本書內容涵蓋瞭從基礎理論到高級應用的完整技術棧，力求理論深度與工程實踐相結閤，幫助讀者快速掌握現代嵌入式係統的核心技術，並具備獨立開發復雜係統的能力。 第一部分：嵌入式係統基礎與ARM架構 本部分將為讀者構建堅實的理論基礎。首先，深入解析嵌入式係統的基本概念、特點、發展趨勢以及常見應用領域，使讀者對該領域有一個宏觀的認識。 接著，我們將詳細剖析ARM Cortex-M內核架構。內容包括Cortex-M係列處理器的傢族劃分（M0/M3/M4/M7等）及其核心特性對比。重點講解Cortex-M處理器的工作模式、寄存器組（通用寄存器、特殊功能寄存器）、中斷和異常處理機製。深入剖析NVIC（嵌套嚮量中斷控製器）的配置與優先級管理，這是實時性係統設計的關鍵。 在指令集層麵，本書將詳細介紹Thumb-2指令集的特點，包括如何利用其代碼密度優勢，並指導讀者理解匯編語言在特定場景下的作用，例如啓動代碼的編寫與棧的初始化。內存模型方麵，深入講解內存映射、總綫結構（如AHB/APB）以及存儲器保護單元（MPU）的配置，為後續的操作係統移植和安全應用打下基礎。 第二部分：硬件抽象層與底層驅動開發 本部分聚焦於微控製器外設的直接操作與驅動層代碼的編寫，這是嵌入式開發中最貼近硬件的部分。 時鍾係統與復位管理是啓動係統的基石。本書會詳細講解晶振選擇、PLL（鎖相環）的配置，以及如何構建穩定的係統時鍾樹，並處理不同工作模式下的功耗管理。 GPIO（通用輸入輸齣）章節不僅教授如何配置輸入輸齣模式、上下拉電阻，還將深入探討GPIO的電氣特性、去抖動技術在軟件和硬件中的實現，以及如何利用中斷進行事件觸發。 定時器（Timer）模塊是嵌入式係統中實現精確時間控製的核心。我們將講解基礎的計數、捕獲和比較模式，並重點介紹PWM（脈衝寬度調製）在電機控製、電源管理和信號生成中的高級應用，包括死區插入和互補輸齣的配置。 中斷與DMA（直接存儲器訪問）是提高係統效率的關鍵。中斷部分將結閤實際案例講解中斷服務程序的編寫規範和嵌套優先級管理。DMA部分則會詳細闡述DMA的傳輸模式（循環、單次）、數據寬度、地址自增/自減機製，以及如何配置DMA以實現高效的數據搬運，例如ADC數據采集或UART批量傳輸，從而解放CPU。 第三部分：通信接口與傳感器集成 現代嵌入式係統離不開與其他設備的通信。本部分將係統地介紹主流的串行通信協議。 UART/USART：講解異步通信的波特率計算、校驗位設置，以及半雙工與全雙工模式的應用。 SPI（串行外設接口）：深入探討主從模式、時鍾極性（CPOL）和相位（CPHA）的四種模式，並提供實際的SPI總綫設備（如EEPROM、Flash）的讀寫驅動案例。 I2C（串行外設接口）：講解兩綫總綫的仲裁機製、地址尋址（7位/10位），並提供傳感器（如溫濕度、加速度計）的I2C驅動開發流程。 高級通信：對CAN（控製器局域網）和Ethernet（以太網）進行介紹，重點講解CAN報文的幀結構、過濾器配置，以及以太網的MAC層基礎知識。 模擬與混閤信號處理：重點講解ADC（模數轉換器）的采樣原理、分辨率、轉換速率，並演示如何利用多通道掃描模式和DMA進行高速數據采集。DAC（數模轉換器）的應用，如生成模擬波形，也將被涵蓋。 第四部分：實時操作係統（RTOS）與任務管理 為瞭應對日益復雜的應用需求，RTOS成為嵌入式開發的主流選擇。 本書將選用業界流行的RTOS內核（如FreeRTOS），係統地介紹其核心概念。內容包括任務的創建、就緒、阻塞、刪除等生命周期管理。重點講解任務調度算法（如優先級繼承、搶占式調度），以及如何通過關鍵代碼段（Critical Section）和中斷禁用確保代碼的原子性。 進程間通信（IPC）機製是RTOS的核心。詳細闡述信號量（Semaphore，包括二值和計數）、互斥鎖（Mutex）在資源競爭中的應用與死鎖避免策略。此外，消息隊列（Message Queue）和事件組（Event Group）的原理與高效使用方法也將通過實例進行展示。 定時與軟件延時的對比分析是RTOS區彆於裸機開發的關鍵點。本書將指導讀者如何使用RTOS提供的軟件定時器服務，實現精確的周期性任務。 第五部分：係統調試、移植與高級實踐 高效的調試手段是項目成功的保障。本部分關注工具鏈的使用和係統穩定性。 調試技術：深入講解JTAG/SWD接口的工作原理，以及如何使用OpenOCD、SEGGER J-Link等工具進行代碼下載、硬件斷點設置和內存查看。著重介紹SWV（串行綫速度跟蹤）和DWT（數據觀察點/追蹤單元）在非侵入式性能分析和變量追蹤中的應用。 Bootloader與固件更新：講解Bootloader的基本功能（如初始化硬件、校驗應用固件），並設計一個基礎的OTA（空中下載）/FOTA（固件空中下載）機製的實現框架，包括固件校驗、存儲分區管理和安全啓動考慮。 功耗管理：介紹ARM Cortex-M內核提供的睡眠（Sleep）和深度睡眠（Deep Sleep）模式，並結閤係統實際工作流程，設計低功耗應用程序，計算和優化待機電流。 本書力求通過大量的代碼示例、硬件實驗指導和實際項目流程，將讀者從一個初學者帶到能夠獨立設計、實現並調試復雜嵌入式産品的工程師。內容設計充分考慮瞭工程實踐中的常見陷阱和優化點，確保知識的實用性與前沿性。

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作為一名已經接觸過其他一些高級編程語言的學習者，我抱著“看看C語言到底能有多基礎”的心態翻開瞭這本書，結果卻被它在底層原理上的深度和廣度所震撼。這本書的價值遠不止於教授“如何寫齣能跑起來的代碼”。真正讓我眼前一亮的是它對內存管理和指針部分的闡述。很多教材在講到指針時，往往隻是簡單地給齣定義和幾個示例，但這本書則花瞭大量的篇幅，用近乎於匯編語言的視角去剖析地址是如何被引用和解引用的，這種對“為什麼”的深入挖掘，徹底顛覆瞭我過去對指針的模糊認知。書中穿插的那些關於編譯器如何將高級代碼轉換成機器指令的背景知識，雖然篇幅不多，但點到為止，卻極大地拓寬瞭讀者的視野，讓人明白瞭C語言作為“係統級語言”的真正含義。它不是教你如何快速搭一個應用框架，而是教你如何理解程序運行的底層機製。這種“授人以漁，更授人以漁場”的教學理念，對於想要深入理解計算機科學核心的讀者來說，是無價之寶。

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我必須承認，我是一個極度依賴實踐反饋的學習者。如果一本編程書光有理論而缺乏高質量的習題，對我而言價值會大打摺扣。這本書在這方麵的錶現簡直是教科書級彆的典範。它不僅僅提供瞭章節末尾的那些常規練習題，更令人稱道的是，書中的每一個核心概念講解之後，幾乎都會立刻跟進一個精心設計的“思考題”或者“小項目挑戰”。這些挑戰題的難度梯度設置得非常科學，從一開始簡單的字符串操作，到後麵涉及結構體和文件I/O的綜閤性任務，難度是層層遞進的。更重要的是，很多練習都需要讀者自己動手去調試和優化，而不是簡單地復製粘貼課本上的代碼。我印象特彆深的是書中關於鏈錶實現的那些章節，它沒有直接給齣完整的代碼，而是分成幾個步驟，要求讀者逐步實現節點的插入、刪除和遍曆，每一次調試通過，都帶來瞭巨大的成就感。這種強迫性的實踐過程，確保瞭知識點不是“看過”瞭，而是真正“學會瞭”。

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這本書的封麵設計給我留下瞭深刻的印象，那種經典的藍白配色，給人一種既專業又平易近人的感覺，像是邀請我進入一個嚴謹又充滿探索樂趣的世界。我本來對編程這塊就有些敬畏之心，尤其是聽聞C語言的“硬核”，拿到實體書時，我甚至有些猶豫。然而，翻開第一章後，那種顧慮立刻煙消雲散瞭。作者的敘述方式極其細膩，仿佛不是在講解枯燥的語法規則，而是在引導我們進行一場邏輯思維的探險。比如，在介紹變量和數據類型的章節，書中用瞭大量的現實生活中的類比，將抽象的內存概念具象化，我甚至能“看到”數據在計算機內部是如何被組織和存儲的。這種敘述上的匠心獨到，讓原本高冷的技術概念變得觸手可及。特彆是書中對於流程控製的講解，圖文並茂，流程圖的繪製清晰明瞭，使得復雜的循環和條件判斷邏輯不再是難以捉摸的迷霧，而是可以被精確掌控的工具。這本書顯然是為編程初學者量身定做的，它沒有一上來就堆砌晦澀難懂的專業術語，而是循序漸進地搭建知識的階梯，每一步都走得紮實而穩健，讓人充滿瞭繼續學習的信心和動力。

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這本書的排版和可讀性，在眾多技術書籍中絕對是名列前茅的。我過去讀過一些計算機教材，內容確實紮實，但排版擁擠，代碼塊和正文混在一起，閱讀起來非常費力，眼睛稍不留神就會錯過關鍵信息。而這本書則采用瞭大開本設計，代碼區域使用瞭清晰的等寬字體，並且關鍵的關鍵字和特殊的語法結構都有恰當的顔色高亮處理，即便是沒有開著IDE，純粹用眼睛去看代碼結構，也顯得異常輕鬆。此外，作者在處理復雜的代碼示例時，會用詳細的注釋來解釋每一行的作用，甚至包括一些可能導緻新手睏惑的陷阱，都會用“注意”或“陷阱”的標注形式提齣來。這種對細節的極緻關注，極大地降低瞭初學者在麵對海量代碼時的心理壓力，讓我感覺這本書的作者不僅精通C語言，更是一位懂得如何與讀者有效溝通的教育傢。閱讀過程中的舒適感，是決定我是否能堅持讀完一本書的關鍵因素之一，而這本書完美地跨越瞭這個門檻。

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與其他強調速度和快速上手的現代編程教材不同，這本書給我帶來瞭一種沉澱下來的感覺，它更像是對計算機科學黃金時代的一種緻敬與傳承。它不是簡單地羅列C語言的語法特性，而是花費瞭相當大的篇幅去講解標準庫函數的設計哲學，以及如何編寫齣健壯、可移植的代碼。在涉及文件操作的部分，作者不僅僅教瞭如何讀寫文件，還深入探討瞭不同操作係統下文件流處理的細微差彆，這在很多號稱“基礎”的教材中是看不到的。這種對工程化思維的早期植入，讓我意識到編程不僅僅是寫程序，更是一種嚴謹的工程實踐。通過這本書的學習，我感覺自己不再是一個隻會調用API的“用戶”，而是開始具備一定的“構建者”心態。它教會瞭我如何從底層去思考程序的效率、安全性和可維護性，這種底層邏輯的構建，我相信是未來無論學習任何新語言或技術時，都無法繞開的基石。它提供瞭一個堅實的地基，而不是一個漂亮的門麵。

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