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出版者:7-81124

作者:趙星寒

出品人:

頁數:234

译者:

出版時間:2008-1

價格:25.00元

裝幀:

isbn號碼:9787811240801

叢書系列:

圖書標籤:

• 嵌入式
• 單片機
• 嵌入式係統
• C51
• Arduino
• 電子製作
• DIY
• 入門
• 教程
• 開發闆
• 硬件

《嵌入式係統設計與應用實戰：從基礎到高級實踐》 書籍簡介 本書聚焦於嵌入式係統設計的核心原理、主流硬件平颱應用以及前沿技術實踐，旨在為讀者構建一個全麵、深入且具有高度可操作性的學習路徑。本書摒棄瞭對單一微控製器架構的局限性介紹，而是以係統工程的視角，覆蓋從底層硬件交互到上層應用軟件實現的完整技術棧。 第一部分：嵌入式係統基礎架構與核心原理 本部分將係統地梳理嵌入式係統的基本概念、發展曆程及其在現代工業、消費電子和物聯網中的戰略地位。 1. 嵌入式係統基礎概念與架構 詳細闡述嵌入式係統的定義、特性（如實時性、功耗敏感性、資源約束性）及其典型結構（微處理器/微控製器/DSP/FPGA）。深入剖析經典的馮·諾依曼和哈佛架構在嵌入式環境中的優化與權衡。介紹嵌入式係統的層次結構，包括硬件層、固件層、操作係統層和應用層。 2. 處理器內核與指令集架構（ISA）解析 重點介紹當前主流的嵌入式處理器架構，如ARM Cortex-M/R/A係列。對ARMv7/v8架構下的關鍵概念進行詳盡講解，包括寄存器組、流水綫、異常與中斷處理機製、內存管理單元（MMU）和緩存（Cache）的工作原理。同時，探討RISC-V架構的興起及其開放指令集帶來的設計靈活性和未來潛力。 3. 內存係統與數據訪問 深入講解嵌入式係統中常見的存儲器類型：SRAM、DRAM（SDRAM/LPDDR）、Flash（NOR/NAND）及其存儲特性。闡述程序存儲（代碼段、數據段、堆棧、堆）的內存布局，以及如何通過內存保護單元（MPU）實現資源隔離和提高係統健壯性。涉及數據對齊、位域操作和內存訪問延遲的優化技術。 4. 時鍾、復位與電源管理 全麵解析嵌入式係統的時鍾樹生成、分配與同步機製，包括PLL（鎖相環）的使用和時鍾域的交叉處理。詳細介紹係統復位邏輯的設計與時序要求。著重講解低功耗設計（Power Management）的核心策略，包括各種睡眠模式（Sleep Mode, Deep Sleep, Standby）的切換、時鍾門控、以及動態電壓與頻率調節（DVFS）在延長電池壽命中的應用。 第二部分：硬件接口、驅動與低層編程 本部分側重於如何有效地與外部世界交互，掌握底層硬件的精確控製技術。 5. 通用輸入/輸齣（GPIO）與中斷係統 深入講解GPIO端口的配置（輸入/輸齣模式、上下拉電阻、開漏/推挽輸齣），以及如何通過端口操作實現數字信號的精確時序控製。詳細解析中斷控製器（NVIC/GIC）的工作流程，包括中斷優先級配置、嚮量錶管理、中斷服務程序（ISR）的編寫規範與快速退齣策略，以確保實時性要求。 6. 串行通信協議棧的深度實現 係統講解各類常用串行通信協議的硬件實現和軟件驅動開發： UART/USART： 波特率計算、異步通信的奇偶校驗與流控製。 SPI： 主/從模式配置、時鍾極性（CPOL）與相位（CPHA）的四種模式詳解、多設備片選（CS）管理。 I2C： 起始/停止條件、地址尋址機製、多主控仲裁機製。 CAN/LIN： 汽車電子和工業控製中的應用，報文幀結構與錯誤檢測機製。 7. 模數轉換（ADC）與數模轉換（DAC） 詳細剖析ADC的采樣定理、量化誤差、參考電壓選擇。實戰講解多通道掃描、單次轉換與連續轉換模式的配置，以及如何使用DMA（直接內存訪問）實現高效的數據采集而無需CPU乾預。探討DAC在信號生成中的應用。 8. 定時器、計數器與脈衝寬度調製（PWM） 講解基礎定時器的周期性事件觸發能力。重點深入PWM的生成原理，包括不互補/互補輸齣、死區時間（Dead Time）的設置，及其在電機控製、LED調光等領域的精確應用。 第三部分：實時操作係統（RTOS）與並發編程 本部分是邁嚮復雜嵌入式應用的關鍵，聚焦於如何管理並發任務和確保係統響應的確定性。 9. 實時操作係統核心概念與選型 闡述硬實時、軟實時與非實時係統的區彆。引入任務（Task/Thread）的概念，包括任務狀態遷移圖、上下文切換的開銷與機製。比較主流的RTOS內核（如FreeRTOS, RT-Thread, Zephyr）的特性、內核架構和資源占用。 10. 任務調度與同步機製 精通搶占式與協作式調度算法，理解優先級反轉問題及其解決方案（如PCP/BMP）。詳盡講解實現任務間安全通信和資源共享的機製：信號量（Semaphore）、互斥鎖（Mutex）、消息隊列（Message Queue）、事件標誌組（Event Flags）和郵箱（Mailbox）。強調死鎖的預防與檢測。 11. 內存管理與驅動模型 在RTOS環境下探討內存池（Memory Pool）和動態內存管理（Heap）的差異與應用場景。引入設備驅動模型（如Linux的字符/塊設備模型思想），講解如何構建標準化的驅動接口，實現硬件抽象層（HAL）。 第四部分：高級主題與係統集成 本部分涵蓋使嵌入式係統具備高級功能和網絡連接能力的必要技術。 12. 嵌入式文件係統與數據持久化 介紹嵌入式係統中常用的閃存管理技術，如磨損均衡（Wear Leveling）。深入分析FATFS、JFFS2、YAFFS等嵌入式文件係統的結構、日誌機製和適用場景。講解如何進行非易失性數據（NVRAM）的可靠存儲與讀取。 13. 網絡通信與物聯網（IoT）協議 係統介紹嵌入式設備接入網絡的關鍵技術。詳細講解TCP/IP協議棧在資源受限設備上的裁剪與實現。重點講解應用層協議：MQTT（輕量級消息傳輸）、CoAP（受限應用協議）以及TLS/SSL在設備端的安全部署與握手流程。 14. 嵌入式係統的調試、測試與質量保障 強調調試的重要性。精講JTAG/SWD接口的工作原理及其在硬件調試器（如ST-Link, J-Link）中的應用。介紹斷點、觀察點、單步執行、內存查看的高級技巧。闡述單元測試、集成測試在嵌入式項目中的實踐，以及使用邏輯分析儀和示波器進行硬件級故障排查的方法論。 15. 固件更新與安全機製 探討安全啓動（Secure Boot）的基本流程，包括數字簽名校驗和信任根的建立。詳細介紹OTA（Over-The-Air）固件升級的架構設計，包括A/B分區機製、迴滾保護和數據加密傳輸在保證升級可靠性中的作用。 本書通過大量的工程案例和代碼片段（基於C/C++），旨在培養讀者獨立分析和解決復雜嵌入式係統問題的能力，是麵嚮電子工程師、軟件開發人員以及相關專業學生的實用型參考手冊。

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