微处理器与现场总线技术 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:中南大学出版社(中南工业大学)

作者:

出品人:

页数:318

译者:

出版时间:2003-1

价格:28.00元

装帧:

isbn号码:9787810617109

丛书系列:

图书标签:

• 微处理器
• 现场总线
• 嵌入式系统
• 工业控制
• 通信技术
• 单片机
• 数据传输
• 接口技术
• 自动化
• 电子工程

《嵌入式系统设计与开发实战》 内容简介 本书旨在为读者提供一套全面、深入的嵌入式系统设计与开发实战指南。从基础理论到高级应用，本书涵盖了嵌入式系统设计、硬件选型、软件开发、调试集成等关键环节，并结合丰富的实战案例，帮助读者掌握嵌入式系统从概念到产品实现的完整流程。本书尤其侧重于将理论知识与实际工程开发相结合，旨在培养读者独立解决复杂嵌入式系统设计问题的能力。 第一部分：嵌入式系统基础 本部分将为读者建立起坚实的嵌入式系统理论基础。 第一章：嵌入式系统概述 1.1 什么是嵌入式系统？ 深入剖析嵌入式系统的定义、特点（如高可靠性、实时性、低功耗、成本敏感等）及其与通用计算机系统的区别。介绍嵌入式系统在当今社会无处不在的应用场景，例如消费电子、工业控制、汽车电子、医疗设备、物联网等，通过生动的案例激发读者兴趣。 1.2 嵌入式系统的组成 详细阐述嵌入式系统的核心组成部分：嵌入式处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM/Flash）、输入/输出设备（I/O ports）、外围接口（如UART、SPI、I2C）、电源管理单元以及软件（操作系统、应用程序）。 1.3 嵌入式系统的发展历程与趋势 回顾嵌入式系统从早期简单控制器到如今复杂智能终端的发展脉络，展望未来趋势，如AIoT、边缘计算、低功耗设计、安全性和可信性等。 第二章：嵌入式处理器选型与分析 2.1 处理器架构基础 介绍RISC与CISC架构的区别，重点讲解ARM架构（Cortex-M、Cortex-A系列）的优势及其在嵌入式领域的广泛应用。理解指令集、流水线、缓存等基本概念。 2.2 嵌入式处理器类型 详细介绍不同类型的嵌入式处理器，包括微控制器（MCU）、微处理器（MPU）和数字信号处理器（DSP）。分析它们的特点、适用场景及典型代表（如STM32系列MCU、Raspberry Pi上的ARM SoC、TI的DSP芯片等）。 2.3 处理器性能参数解读 掌握关键性能指标，如时钟频率、内存接口速度、总线宽度、功耗、外设集成度等，并学习如何根据应用需求选择合适的处理器。 2.4 处理器生态系统 介绍处理器厂商提供的开发工具链、软件库、开发板、参考设计以及社区支持的重要性。 第二部分：嵌入式硬件设计 本部分将指导读者完成嵌入式系统的硬件设计。 第三章：存储器接口与设计 3.1 存储器类型与工作原理 深入讲解SRAM、DRAM、Flash（NOR/NAND）、EEPROM等存储器的物理结构、工作原理、读写时序及特点。 3.2 存储器接口电路设计 学习如何根据处理器的数据手册和存储器的数据手册，设计正确的存储器接口电路，包括地址线、数据线、控制线的连接，以及时序匹配。 3.3 存储器容量与性能优化 讨论如何根据应用需求选择合适的存储器类型和容量，以及如何通过优化内存访问方式来提高系统性能。 3.4 实际案例：SD卡/eMMC接口设计 通过一个具体的实例，讲解如何设计SD卡或eMMC存储器的接口电路，并考虑其驱动和初始化。 第四章：嵌入式系统的输入/输出（I/O）接口设计 4.1 通用I/O（GPIO）接口 详细介绍GPIO的工作模式（输入、输出、开漏、推挽）、配置方法（方向、上拉/下拉、速度）、中断机制以及位操作。 4.2 串行通信接口 4.2.1 UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter） 讲解UART的工作原理、通信协议（波特率、数据位、停止位、校验位），以及在设备调试、数据传输中的应用。 4.2.2 SPI（Serial Peripheral Interface） 介绍SPI总线的特点（全双工、同步通信）、通信模式（主/从机、时钟极性与相位）、数据传输方式，以及常用于连接传感器、存储器等外设。 4.2.3 I2C（Inter-Integrated Circuit） 阐述I2C总线的特点（两线式、多主多从、地址寻址），通信流程（起始、停止、ACK/NACK），及其在连接少量外设时的优势。 4.3 并行通信接口 介绍一些常见的并行接口（如GPIO模拟并口），分析其在数据传输速率和引脚数量上的权衡。 4.4 模拟信号接口 4.4.1 ADC（Analog-to-Digital Converter） 讲解ADC的工作原理（采样、量化、编码）、分辨率、采样率、参考电压等参数，以及如何连接和配置ADC采集模拟量。 4.4.2 DAC（Digital-to-Analog Converter） 介绍DAC的工作原理，以及如何将数字信号转换为模拟信号输出。 4.5 其他常用接口 简要介绍USB、CAN、Ethernet等接口的基本概念和应用场景，为读者扩展视野。 第五章：电源管理与低功耗设计 5.1 嵌入式系统电源需求分析 分析嵌入式系统在不同工作模式下的功耗特点，以及对电源的需求。 5.2 电源管理单元（PMU） 介绍PMU在电压调节、电源分配、时序控制等方面的作用。 5.3 低功耗技术 深入探讨各种低功耗设计策略，包括处理器休眠模式（Sleep、Deep Sleep、Standby）、外设时钟门控、动态电压与频率调整（DVFS）、功率门控（Power Gating）等。 5.4 电池供电系统设计 讲解电池选择、充电管理、电池寿命估算以及为电池供电设备优化功耗的技巧。 5.5 实际案例：低功耗传感器节点设计 通过一个具体的低功耗设计案例，演示如何综合运用各种低功耗技术，延长设备续航时间。 第三部分：嵌入式软件开发 本部分将聚焦于嵌入式系统的软件开发实践。 第六章：嵌入式软件开发环境搭建 6.1 开发工具链 介绍交叉编译工具链（GCC for ARM、Clang）、调试器（GDB）、内存分析工具等。 6.2 集成开发环境（IDE） 推荐和介绍主流的嵌入式IDE，如Keil MDK、IAR Embedded Workbench、VS Code（配合PlatformIO或CMake）、Eclipse等，并指导读者进行基本的IDE配置。 6.3 固件构建系统 讲解Makefile、CMake等构建系统的原理和使用，以及如何组织和管理复杂的嵌入式项目。 6.4 版本控制系统 强调Git在嵌入式开发中的重要性，并介绍其基本操作和工作流程。 第七章：嵌入式C语言编程进阶 7.1 C语言在嵌入式中的特殊性 讨论嵌入式C与标准C的区别，如指针操作、位操作、内存布局、内联函数、`volatile`关键字等。 7.2 硬件抽象层（HAL）与驱动程序开发 讲解HAL的概念和作用，以及如何编写模块化的、可移植的设备驱动程序（如GPIO驱动、UART驱动、SPI驱动）。 7.3 中断服务程序（ISR）设计 深入理解中断机制，学习编写高效、可靠的中断服务程序，并注意ISR中的最佳实践（如尽量减少ISR耗时）。 7.4 实时性与并发控制 介绍使用位操作、状态机、事件标志等实现简单的并发控制，为后续的RTOS学习打下基础。 7.5 内存管理与优化 讨论嵌入式系统中常见的内存问题（如内存泄漏、栈溢出），以及静态分配、动态分配（malloc/free）的权衡，并介绍一些内存优化技巧。 第八章：实时操作系统（RTOS）原理与应用 8.1 为什么需要RTOS？ 阐述RTOS解决多任务、任务调度、资源共享、实时性保障等问题的必要性。 8.2 RTOS核心概念 详细介绍任务（Task/Thread）、任务状态、任务调度（抢占式、协作式）、任务间通信（信号量、互斥锁、消息队列、事件标志）、中断与RTOS的交互。 8.3 典型RTOS介绍 重点介绍FreeRTOS，包括其体系结构、API接口、配置选项，并通过实例演示如何在STM32等平台上移植和使用FreeRTOS。简要提及其他RTOS如RT-Thread、Zephyr等。 8.4 RTOS应用实践 演示如何使用RTOS来构建更复杂的嵌入式应用程序，如多传感器数据采集、网络通信、用户界面管理等。 第九章：嵌入式应用程序开发实战 9.1 传感器数据采集与处理 结合具体的传感器（如温湿度传感器、加速度计、光线传感器），编写程序采集数据，并进行滤波、校准等处理。 9.2 嵌入式通信协议实现 9.2.1 简易串口通信协议 设计并实现一个基于UART的简单通信协议，用于设备间的指令/数据交互。 9.2.2 TCP/IP协议栈应用 （如LwIP）介绍如何在嵌入式设备上移植和使用TCP/IP协议栈，实现网络通信功能（如HTTP服务器、MQTT客户端）。 9.3 用户界面（UI）设计与开发 （适用于带显示屏的嵌入式系统）介绍嵌入式GUI的基本概念，以及如何使用LiteOS GUI、LVGL等开源库来创建简单的用户界面。 9.4 文件系统 介绍嵌入式文件系统（如FATFS）的应用，用于管理SD卡或NAND Flash中的文件。 9.5 嵌入式系统安全性基础 讨论嵌入式系统面临的安全威胁，以及一些基本的安全措施，如安全启动、数据加密、访问控制等。 第四部分：嵌入式系统调试与测试 本部分将深入讲解嵌入式系统的调试技巧和测试方法。 第十章：嵌入式系统调试技术 10.1 调试器（Debugger）使用 详细讲解JTAG/SWD调试器的原理和使用，包括设置断点、单步执行、观察变量、内存查看、寄存器访问。 10.2 打印调试（Printf Debugging） 介绍如何利用UART输出调试信息，以及`printf`在嵌入式中的重定向技巧。 10.3 逻辑分析仪与示波器 讲解如何使用这些硬件调试工具来分析信号时序、总线通信、功耗等问题。 10.4 常见问题定位与解决 总结嵌入式开发中常见的硬件问题（如电源异常、信号干扰）和软件问题（如死机、异常复位、内存访问越界），并提供解决思路。 10.5 嵌入式固件更新（OTA） 介绍远程固件升级的技术和实现方法。 第十一章：嵌入式系统测试与质量保障 11.1 单元测试 介绍如何对嵌入式软件模块进行单元测试，保证其功能的正确性。 11.2 集成测试 讲解如何对不同模块组合在一起进行测试，验证接口的协调工作。 11.3 系统测试 讨论如何对整个嵌入式系统进行全面测试，包括功能测试、性能测试、稳定性测试、功耗测试、可靠性测试。 11.4 自动化测试 介绍自动化测试在嵌入式项目中的应用，提高测试效率和覆盖率。 11.5 嵌入式系统认证与合规性 简要介绍一些与嵌入式产品相关的认证要求（如EMC、RoHS）。 附录 附录A：常用嵌入式开发板资源介绍 附录B：嵌入式常用元器件选型指南 附录C：专业术语索引 本书特色 理论与实践紧密结合： 每一章节都配有相应的代码示例和设计思路，帮助读者理解抽象概念。 案例驱动： 包含多个实际项目案例，涵盖从简单的传感器节点到复杂的网络通信终端，提供完整的开发流程演示。 深入讲解： 对每个技术点都进行深入剖析，揭示其背后的原理和实现细节。 实战导向： 侧重于培养读者独立解决实际嵌入式系统开发中遇到的问题。 全面的知识体系： 涵盖了嵌入式系统设计的各个关键领域，为读者提供一站式的学习平台。 本书适合从事嵌入式系统开发、物联网项目设计、嵌入式产品研发的工程师，以及对嵌入式系统感兴趣的在校学生和技术爱好者。通过对本书的学习，读者将能够掌握嵌入式系统设计与开发的核心技能，并具备独立完成复杂嵌入式项目的能力。

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说实话，我原本以为这会是一本枯燥的技术手册，但读下去之后发现，作者的叙事方式相当有感染力，特别是他讲述“协议栈实现”那几章时，仿佛他正坐在我身边，手把手地指导我如何调试一个TCP/IP粘包问题。他没有直接丢出标准的RFC文档链接，而是用一种“情景再现”的方式，描述了为什么需要Nagle算法，以及在资源极其受限的设备上如何设计一个最小化的、非标准的、但满足特定业务需求的通信协议。这种以“解决实际痛点”为导向的写作风格，极大地降低了初学者进入该领域的门槛。更让我惊喜的是，书中对“电源管理”的讨论深度超出了我的预期。通常大家只谈休眠模式的功耗值，但这本书却详细分析了从CPU进入低功耗态到外部传感器唤醒、系统恢复到正常工作状态之间的“时间窗口延迟”的动态变化，并给出了一个基于“事件概率模型”的唤醒策略优化方案。这个细节的处理，直接关系到我们这类依赖电池供电的物联网设备的设计成败。读完这部分，我立刻在脑海中勾勒出了改进我们当前产品电池续航的几个关键点，这种立竿见影的效果，是很多厚厚的教科书都无法给予的。

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整体阅读体验非常流畅，尽管技术深度很高，但作者仿佛深谙读者的认知曲线，总能在复杂概念解释后提供一个结构清晰的总结或一个简化模型。我个人对“软件定义无线电（SDR）”在嵌入式系统中的应用非常感兴趣，这本书中关于“高速ADC/DAC接口与数字信号处理链”的章节，让我对如何优化FPGA/SoC平台上的数据流有了全新的认识。它详细描述了如何设计高效的流水线架构来处理连续数据流，避免缓存抖动（Cache Thrashing）。更令人称道的是，书中对“版本控制与可追溯性”在固件发布流程中的重要性进行了强调，这在很多偏重硬核技术的书籍中是缺失的环节。作者指出，一套健壮的嵌入式系统不仅要求运行时稳定，更要求其生命周期管理——从需求变更到最终部署——都具备高度的可控性。这本书似乎在告诉我，真正的工程师不仅仅是代码的编写者，更是整个产品生命周期质量的把控者。这种宏观视角的纳入，让这本书的价值远超一本单纯的技术参考书。

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这本书的语言风格，在我看来，是非常成熟且克制的。它没有过度使用浮夸的形容词来夸耀技术的先进性，而是用严谨的逻辑和数据说话。我尤其关注了书中关于“嵌入式安全机制”的探讨。现如今，安全问题已经渗透到硬件层面，但很多书籍对这一块的介绍都停留在软件加密算法层面。这本书却花了相当大的篇幅讲解了“安全启动链的硬件信任根（RoT）构建”，以及如何利用TPM（可信平台模块）或类似的安全元件来确保固件的完整性。作者对“侧信道攻击”的原理分析得非常透彻，特别是对功耗分析和电磁辐射分析在逆向工程中的应用，提供了详实的理论基础和防御思路。这对于我们开发面向金融或医疗领域设备的公司来说至关重要，因为合规性要求极高。我必须说，书中对这些前沿且严肃话题的处理方式，透露出一种对技术负责任的态度，而不是仅仅为了追赶热点而堆砌概念。

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这本书，拿到手的时候，我其实是抱着一种“试试看”的心态。毕竟现在市面上关于“嵌入式系统”或者“底层硬件控制”的书籍汗牛充栋，大多是千篇一律地介绍某个特定芯片的寄存器配置，或者泛泛而谈一些理论概念，真正能让人在实际项目里快速上手，并且理解其工作原理的精品实在不多。我尤其关注那种不拘泥于特定型号，而是深入讲解设计思想的书。这本书的排版和目录结构给我的第一印象是比较扎实，没有那种花里胡哨的渲染，直奔主题。我花了点时间翻阅了其中关于“实时操作系统选型与裁剪”的那一章节，作者的论述方式颇为老到，他并没有直接推荐某个RTOS，而是从任务调度的优先级反演法和中断延迟的量化分析入手，这让我感觉作者是真正动手做过复杂系统的。书中对硬件抽象层的设计原则描述得非常清晰，尤其是在处理跨平台兼容性时的策略，给我的启发很大。我目前手上的项目正好涉及到将旧有基于某种特定微控制器（比如早期的ARM Cortex-M3系列）的代码迁移到更新的异构多核架构上，这本书中关于外设驱动接口标准化的那部分内容，提供了非常实用的参考框架。它强调了“面向对象”在驱动层面的应用，这在很多传统的、偏向C语言过程式的教材中是很少被提及的，这本书显然是在努力弥合理论与现代软件工程实践之间的鸿沟。

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对于我这种偏向于系统集成和架构设计的人来说，最看重的就是不同技术模块之间的“连接性”和“兼容性”。这本书在这方面展现了极高的水准。我特别欣赏其中关于“总线仲裁机制”的分析，作者没有止步于讲解经典的仲裁算法（如轮询、优先级链），而是深入探讨了在高性能、低延迟的总线结构中，如何通过预测性加载和预取缓冲区来优化平均访问时间。书中引用了几个非常经典的工业级总线冲突案例，并反向推导出当时系统设计者在仲裁逻辑上做出的妥协与取舍。这种批判性思维的引入，使得读者不仅仅是学习“怎么做”，更重要的是理解“为什么这么做”。我发现，书中对“中断控制器与DMA控制器”协同工作效率优化的那一段论述，与我正在跟进的一个高速数据采集项目中的瓶颈高度吻合。它提出的“零拷贝”数据传输框架设计，虽然概念上不算新颖，但作者将其在不同硬件架构下的具体实现细节和性能权衡分析得淋漓尽致，这比单纯的理论推导要实用得多，可以说是提供了即插即用的思想框架。

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