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出版者:人民邮电出版社

作者:

出品人:

页数:463

译者:

出版时间:2003-1

价格:68.0

装帧:平装

isbn号码:9787115109491

丛书系列:

图书标签:

12
Visual C++
串口通信
Windows编程
工程实例
通信协议
数据传输
嵌入式开发
调试技巧
开发指南
源码分析
底层编程

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具体描述

《嵌入式系统高级设计与实践：基于ARM Cortex-M内核的物联网应用开发》前言随着物联网（IoT）的飞速发展和移动计算能力的日益增强，嵌入式系统已成为现代电子设备的核心驱动力。本书旨在为读者提供一套全面且深入的嵌入式系统设计与实现方法论，重点聚焦于当前业界主流的ARM Cortex-M系列微控制器，并结合实际的物联网应用场景，指导开发者构建高性能、低功耗且功能丰富的智能终端。我们摒弃了浅尝辄止的理论介绍，力求以工程实践为导向，通过大量实例和源码分析，将复杂的概念转化为可操作的知识体系。第一部分：Cortex-M微控制器基础与开发环境构建本部分将作为读者进入高级嵌入式系统开发的坚实基础。我们将详细剖析ARM Cortex-M内核（特别是M3/M4/M7系列）的微架构，包括其流水线设计、特权模式（Thread Mode与Handler Mode）的切换机制，以及内存保护单元（MPU）和浮点单元（FPU）的配置要点。第1章：ARM架构深入解析 Cortex-M系列选型与对比：深入分析M0/M3/M4/M7在能效、性能和资源配置上的差异，为项目选型提供科学依据。核心寄存器组与堆栈管理：详细解读R0-R15寄存器组，重点关注程序计数器（PC）、链接寄存器（LR）和堆栈指针（SP）在函数调用和中断处理中的作用。讨论MSP和PSP在操作系统的实现中的应用。指令集与汇编基础：介绍Thumb-2指令集的核心指令，包括数据处理、分支控制和加载/存储指令。提供必要的汇编语言基础，以便理解底层代码的执行流程。第2章：高效的开发工具链与启动过程交叉编译环境搭建：详细指导使用GCC/GNU Toolchain（ARM Embedded Toolchain）进行编译、链接和调试的流程。涵盖Makefile的高级用法和CMake在嵌入式项目中的集成。启动代码（Startup Code）的逆向工程：逐行解析启动文件（通常为汇编语言编写），解释向量表初始化、系统时钟配置、SRAM/Flash的初始化以及C/C++运行时环境的准备工作。调试技术与硬件仿真：重点介绍使用J-Link/ST-Link进行硬件调试，涵盖断点设置、内存查看、寄存器观察以及实时追踪（SWO/ITM）的应用，实现对代码执行的精确控制和分析。第二部分：系统级外设驱动与实时操作系统嵌入式应用的核心在于对片上资源的有效管理和任务的实时调度。本部分将侧重于底层驱动的编写和实时操作系统的集成。第3章：高级时钟系统与电源管理 RCC（Reset and Clock Control）的精细配置：深入讲解PLL/PLLI2S/SYSCLK/HSE/HSI的配置，实现系统时钟在不同工作模式下的动态切换与频率锁定。低功耗模式（Sleep/Stop/Standby）：分析不同低功耗状态下的唤醒源配置，以及如何通过唤醒中断恢复系统状态，实现电池供电设备的超长续航。第4章：中断系统与实时性保证 NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller）深度解析：阐述中断优先级分组（Preemption vs. Sub-priority）的设置哲学，以及如何处理快速中断和嵌套中断。中断服务程序（ISR）的最佳实践：规范ISR的编写，强调快速退出、最小化临界区长度，以及如何安全地在中断与主循环间传递数据（使用队列或标志位）。第5章：实时操作系统（RTOS）的集成与应用 FreeRTOS内核机制详解：剖析任务管理（Task Control Blocks）、上下文切换（Context Switching）的实现原理，以及软件定时器和事件标志组的使用。进程间通信（IPC）机制：详细演示信号量（Semaphores）、互斥锁（Mutexes）和消息队列（Message Queues）在多任务环境中的正确使用，避免死锁和竞态条件。系统性能分析：介绍如何利用RTOS提供的工具（如Tracealyzer或自定义的Hook函数）测量任务切换时间、中断延迟和资源占用情况。第三部分：面向物联网的高速通信协议栈物联网设备通常需要稳定、高效地接入网络。本部分将重点介绍工业界主流的通信接口和协议栈的嵌入式实现。第6章：高速数据接口与总线架构 DMA（Direct Memory Access）高效数据传输：讲解DMA的传输模式（普通、循环、交叉）配置，以及如何利用DMA加速ADC采样、SPI/I2S数据吞吐量，解放CPU资源。 USB Device/Host协议栈嵌入式实现：针对需要与PC交互的设备，介绍基于CDC/MSC类协议栈的驱动编写，包括端点（Endpoint）的配置和数据包处理流程。第7章：嵌入式网络协议栈（TCP/IP与MQTT） LwIP协议栈的移植与优化：介绍LwIP在资源受限环境下的内存管理（PBUF），以及如何根据实际网络环境（如以太网或WiFi模块）进行配置。 MQTT客户端的轻量级实现：深入分析MQTT协议的消息结构、QoS等级（0, 1, 2）的差异化处理，并指导读者如何在嵌入式设备上安全地管理会话状态和心跳机制。第8章：无线通信模块接口——低功耗蓝牙（BLE） BLE协议栈概述与角色定义：解释GATT（Generic Attribute Profile）的结构，包括服务（Services）、特征（Characteristics）和描述符（Descriptors）。自定义Profile的构建：实践指导如何定义专有的数据传输通道，实现高效的自定义数据广播与接收，并处理连接事件（Connection Events）以优化功耗。第四部分：数据存储、安全与高级调试现代嵌入式系统对数据的持久化和安全性提出了更高的要求。第9章：非易失性存储与文件系统管理外部Flash与SPI NOR/NAND Flash的驱动：讲解如何移植和配置SPI Flash驱动，特别是针对大容量存储器的扇区擦写和坏块管理。嵌入式文件系统的选择与集成：比较FATFS、LittleFS等文件系统在嵌入式环境下的优劣，指导如何正确配置并使用Log-structured文件系统保证数据一致性。第10章：嵌入式安全基础与固件更新（OTA）基本加密算法加速：利用Cortex-M4/M7的硬件加速单元（如Crypto Engine）实现AES/SHA等算法，确保数据传输安全。安全启动（Secure Boot）与代码签名验证：概述安全启动的基本流程，以及如何在Bootloader中对应用固件进行哈希校验和数字签名验证，防止恶意代码注入。可靠的OTA更新机制设计：设计双备份（A/B Partition）机制，确保固件升级过程中系统不会因中断而“变砖”，并讨论回滚策略。结语本书的最终目标是培养读者从零开始设计、实现和调试复杂物联网终端的能力。通过对Cortex-M内核的深入理解、对关键外设的高效驱动，以及对实时操作系统和通信协议栈的实战掌握，读者将能够自信地应对当前嵌入式领域中最具挑战性的工程项目。本书提供的不仅是代码片段，更是一套经过验证的工程方法论。