32位微型计算机原理与接口技术 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:清华大学

作者:仇玉章

出品人:

页数:420

译者:

出版时间:2000-8

价格:28.50元

装帧:平装(无盘)

isbn号码:9787302038801

丛书系列:

图书标签:

• 微型计算机
• 计算机原理
• 接口技术
• 32位
• 汇编语言
• 硬件
• 数字电路
• 计算机系统
• 电子技术
• 嵌入式系统

现代嵌入式系统设计与实践 第一章：嵌入式系统概述与发展趋势 本章旨在为读者构建一个全面、深入的嵌入式系统基础认知框架。我们将从概念的界定入手，明确嵌入式系统的核心特征——专用性、实时性、资源约束性，并区分其与通用计算系统的本质差异。深入探讨嵌入式系统的发展历程，从早期的简单控制器逐步演进到如今的物联网（IoT）核心单元，分析驱动这一演进的关键技术飞跃，例如高性能低功耗处理器的出现、无线通信技术的普及以及新型存储技术的应用。 重点分析当前嵌入式系统领域的几大主流发展趋势： 1. 异构计算与多核架构的融合：探讨ARM Cortex-A、Cortex-M系列混合使用，以及GPU、FPGA等加速器在嵌入式设备中日益重要的地位。讨论如何利用并行处理能力提升复杂算法（如图像识别、信号处理）的实时性能。 2. 边缘计算（Edge Computing）的崛起：阐述边缘计算的必要性，即在数据源头侧进行预处理和决策，以缓解云计算中心的带宽压力和延迟问题。分析安全、能耗和计算密度在边缘侧面临的挑战。 3. 安全与信任根（Root of Trust）：鉴于物联网设备面临的安全威胁日益严峻，本章将详细介绍硬件级安全机制，如可信执行环境（TEE）、安全启动（Secure Boot）、物理不可克隆函数（PUF）在嵌入式系统中的实现与作用。 4. 低功耗设计与能源采集（Energy Harvesting）：深入研究电源管理单元（PMIC）的设计原理，探讨动态电压和频率调整（DVFS）技术在延长电池寿命中的应用，并介绍如何利用环境能量（光、振动、温差）为资源受限设备供电的先进方法。 第二章：主流嵌入式处理器架构深入解析 本章聚焦于当前嵌入式市场占据主导地位的几大处理器家族，提供超越简单数据手册描述的深度剖析。 2.1 ARM架构的生态与演进： Cortex-M系列：详细比较M0、M3、M4（含FPU）、M7内核在流水线深度、中断响应时间（NVIC设计）、功耗特性上的差异。重点解析其特有的位操作指令集和内存保护单元（MPU）。 Cortex-A系列：分析A系列在操作系统（如Linux、Android）运行中的作用，探讨MMU（内存管理单元）的配置、缓存一致性协议（如MESI）在多核环境下的重要性，以及如何通过TrustZone技术实现应用层与安全层的隔离。 2.2 专用处理器与可重构逻辑： DSP（数字信号处理器）：探讨DSP架构如何针对乘积累加（MAC）操作进行优化，分析其专用指令集（如SIMD）在音频、视频处理中的优势。 FPGA（现场可编程门阵列）：介绍FPGA的基本结构（查找表、触发器、布线资源），重点讲解硬件描述语言（VHDL/Verilog）在嵌入式加速器设计中的应用，以及如何通过软核（如MicroBlaze）实现高度定制化的系统。 2.3 处理器选型与性能评估方法： 提供一套系统的评估流程，不仅基于主频和核心数量，更应考虑实际应用场景下的指令集效率、中断延迟、片上总线带宽以及功耗-性能比。引入DMIPS/mW等行业标准指标进行量化分析。 第三章：实时操作系统（RTOS）与任务调度机制 实时性是嵌入式系统的核心要求，本章深入探讨支撑这一要求的操作系统理论与实践。 3.1 RTOS核心概念与选型标准： 定义硬实时、软实时、不可靠实时。比较主流RTOS（如FreeRTOS, Zephyr, VxWorks）在内核大小、许可证、驱动支持和确定性方面的优劣。 3.2 任务管理与调度算法的精确控制： 调度策略详解：详述抢占式、协作式调度，以及固定优先级反转问题（Priority Inversion）。深入分析速率单调调度（RMS）和最早截止时间优先（EDF）算法的数学基础和应用场景，并探讨如何利用信号量、互斥量和消息队列实现复杂的任务间同步与通信。 中断服务程序（ISR）与延迟分析：讨论如何最小化ISR的执行时间，区分顶半部（Top Half）和底半部（Bottom Half，如软中断或工作队列）的处理模式，以保障系统的响应确定性。 3.3 内存管理与资源分配： 分析RTOS中的静态内存池和动态内存分配机制，重点讨论在资源受限环境下如何避免内存碎片化，并介绍适用于无MMU环境的内存保护技术。 第四章：高性能片上总线与数据传输技术 嵌入式系统的性能瓶颈往往出现在数据搬运上。本章聚焦于处理器与外设之间的高速互联技术。 4.1 高速片上总线架构： 深入剖析AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）标准，重点讲解AXI（Advanced eXtensible Interface）在高性能系统中的应用，包括其支持的乱序事务处理、突发传输（Burst Transaction）机制，以及QoS（服务质量）设置。对比APB（低速外设总线）和AHB（高带宽总线）的适用场景。 4.2 直接内存访问（DMA）控制器精讲： DMA是实现高效数据传输的关键。本章详细讲解DMA的工作模式（如单次、循环、半中断模式），以及在配置数据流（如ADC到内存，或内存到外设）时，如何设置传输大小、地址增量和优先级，以最大限度解放CPU资源。 4.3 异步与同步通信接口进阶： 超越基础的UART/SPI/I2C，本章探讨更复杂的通信协议： USB 2.0/3.0：重点介绍主机模式与设备模式下的端点（Endpoint）类型（控制、批量、中断、同步）及其适用性。 以太网MAC/PHY接口：分析数据包的封装、校验和嵌入式系统中的驱动层实现。 PCIe/NVMe：在高端嵌入式应用（如网络设备、高性能存储）中，讲解其串行、点对点的架构优势以及事务层协议。 第五章：传感器接口与数据采集系统设计 本章关注如何将物理世界的信息可靠、精确地转化为数字数据。 5.1 高精度模数转换器（ADC）设计： 详述ADC的性能参数：有效位数（ENOB）、信噪比（SNR）、积分非线性（INL）和微分非线性（DNL）。深入比较SAR（逐次逼近）、Sigma-Delta和Pipeline等不同ADC架构的工作原理及其在不同采样率和精度要求下的应用选择。探讨过采样与抗混叠滤波器的设计。 5.2 信号调理电路： 介绍精密传感器信号链中的关键环节：仪表放大器（Instrumentation Amplifier）的共模抑制比（CMRR）优化、有源滤波器（如巴特沃斯、切比雪夫）的设计，以及如何应对热漂移和低频噪声。 5.3 专用传感器接口协议： 研究如I2S（音频）、MIPI CSI-2（摄像头）等高速、多通道同步接口的设计要求和驱动实现，特别是数据同步时钟（SCK）和帧同步信号（FSYNC）的管理。 第六章：嵌入式系统中的固件开发与调试实践 本章提供从代码编译到硬件调试的端到端流程指导。 6.1 交叉编译环境与工具链管理： 详细说明如何搭建基于GCC/Clang的交叉编译环境，理解编译器优化级别（-O2, -Os）对代码大小和运行速度的影响。探讨构建系统（如CMake, Makefiles）在管理复杂项目中的最佳实践。 6.2 启动代码（Startup Code）与链接脚本： 解析芯片复位后执行的第一段代码的功能（初始化堆栈、清除BSS段、设置中断向量表）。深入讲解链接脚本（Linker Script）在定义内存映射、代码段和数据段放置位置中的关键作用，确保程序正确加载到SRAM或Flash中。 6.3 高级调试技术： 超越简单的GDB调试，本章侧重于硬件辅助调试： JTAG/SWD接口：详细说明调试探针（如OpenOCD, J-Link）如何通过片上调试模块（如ARM CoreSight）实现断点、单步执行和寄存器查看。 跟踪与探查：介绍ETM（嵌入式跟踪宏单元）在非侵入式地捕获程序执行流方面的应用，以及如何利用逻辑分析仪和示波器对时序和信号完整性问题进行故障诊断。 第七章：嵌入式存储技术与文件系统 本章探讨数据持久化和高效数据管理在嵌入式系统中的实现。 7.1 闪存技术深度剖析： 详细对比NAND Flash（SLC, MLC, TLC, QLC）的存储密度、擦写次数限制和读写性能。解释磨损均衡（Wear Leveling）和坏块管理（Bad Block Management）算法的必要性及其在主控固件中的实现方式。 7.2 嵌入式文件系统选型与优化： 分析FAT32、YAFFS2、JFFS2以及LogFS等文件系统的设计哲学。重点研究针对Flash特性的写入优化：为什么需要日志（Journaling）机制？如何通过选择合适的Flash文件系统来提升系统可靠性和使用寿命。 7.3 非易失性RAM与配置存储： 探讨EEPROM、FRAM（铁电存储器）在存储关键配置参数时的优势（如快速写入、无限次擦写），以及如何将其集成到系统I/O层中进行安全配置管理。

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