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出版者:

作者:陈峰

出品人:

页数:265

译者:

出版时间:2009-1

价格:36.00元

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isbn号码:9787121075599

丛书系列:

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• Blackfin DSP
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《嵌入式系统软件开发实践》 本书并非一本理论堆砌的学术专著，而是一本侧重于实际操作与经验分享的指南。它深入剖析了嵌入式系统软件开发的全过程，从需求分析到最终部署，旨在为开发者提供一套系统性的方法论和一套实用的技术工具箱。本书以“如何高效、可靠地构建嵌入式软件”为核心，通过大量真实案例和代码示例，引导读者掌握在资源受限、实时性要求严苛的环境下进行软件设计的要领。 第一部分：嵌入式系统软件开发的基础 本部分首先为读者奠定坚实的理论基础。我们将从嵌入式系统的基本概念、硬件特性入手，介绍嵌入式系统与通用计算机系统的区别，以及由此带来的设计挑战。重点在于理解微控制器（MCU）和微处理器（MPU）的架构差异，存储器类型（RAM, ROM, Flash）及其访问特性，以及常用的输入输出（I/O）接口（GPIO, UART, SPI, I2C, ADC, DAC）的工作原理和配置方法。 紧接着，我们将深入探讨实时操作系统（RTOS）的核心概念。这包括任务（Task）的概念、任务状态（就绪、运行、阻塞、挂起）、任务调度算法（优先级调度、轮转调度、时间片轮转等）、任务间通信（信号量、互斥锁、消息队列、事件标志）以及中断处理机制。本书将对比分析几种主流的RTOS，如FreeRTOS、RT-Thread等，并指导读者如何根据项目需求选择合适的RTOS，以及如何进行RTOS的移植和配置。 第二部分：嵌入式软件设计与架构 掌握了基础知识后，本部分将聚焦于如何进行高质量的嵌入式软件设计。我们将详细讲解模块化设计原则、分层架构思想以及面向对象编程（OOP）在嵌入式开发中的应用。读者将学习如何将复杂的系统分解为易于管理和维护的模块，如何定义清晰的接口，以及如何利用OOP的封装、继承、多态特性来提高代码的可重用性和可扩展性。 特别地，本书将介绍几种常用的嵌入式软件架构模式，例如状态机（State Machine）、事件驱动架构（Event-Driven Architecture）以及生产者-消费者模型（Producer-Consumer Model）。我们将通过具体的例子，阐述这些架构模式的优缺点，以及在不同应用场景下的适用性。例如，如何利用状态机处理复杂的控制逻辑，如何设计高效的事件驱动系统以应对多并发请求，以及如何通过生产者-消费者模型优化数据流处理。 第三部分：嵌入式软件开发的关键技术 本部分将深入探讨嵌入式软件开发中的一系列关键技术，这些技术直接关系到软件的性能、稳定性和效率。 驱动程序开发： 详细介绍如何针对不同的硬件外设编写高效、健壮的驱动程序，包括传感器驱动、通信接口驱动、显示屏驱动等。将重点讲解驱动程序与上层应用之间的接口设计，以及如何进行驱动程序的调试和优化。 内存管理： 讨论嵌入式系统中的内存限制问题，并介绍动态内存分配（malloc, free）、静态内存分配、内存池（Memory Pool）等技术。分析内存泄漏和内存碎片问题，并提供相应的检测和避免策略。 低功耗设计： 随着物联网（IoT）设备和电池供电设备的普及，低功耗设计至关重要。本部分将介绍各种低功耗模式（如睡眠模式、深度睡眠模式），以及如何通过软件策略（如按需唤醒、动态频率调整）来最小化功耗。 通信协议与网络： 涵盖嵌入式系统中常用的通信协议，如UART、SPI、I2C、CAN、USB等。对于网络通信，将介绍TCP/IP协议栈在嵌入式系统中的应用，如MQTT、CoAP等轻量级IoT通信协议，以及Wi-Fi、蓝牙、LoRa等无线通信技术的软件实现。 嵌入式GUI设计： 对于需要图形用户界面的嵌入式设备，本部分将介绍嵌入式GUI框架（如LVGL、TouchGFX）的使用，以及如何进行UI布局、控件开发、动画实现和事件处理。 第四部分：嵌入式软件的调试、测试与优化 高质量的嵌入式软件离不开严谨的调试、测试和优化。本部分将提供一套系统性的方法论。 调试技术： 介绍嵌入式系统的调试工具，包括仿真器（Emulator）、调试器（Debugger）、逻辑分析仪（Logic Analyzer）和示波器（Oscilloscope）等。讲解如何设置断点、单步执行、查看内存和寄存器、分析波形等高级调试技巧。 单元测试与集成测试： 强调测试的重要性，并介绍单元测试框架（如Unity、cmock）的应用。讲解如何针对嵌入式模块进行独立测试，以及如何进行不同模块之间的集成测试，发现和定位接口问题。 性能分析与优化： 介绍性能分析工具，如性能计数器、代码覆盖率工具等。指导读者如何识别性能瓶颈，并提供相应的优化策略，包括算法优化、数据结构优化、代码重构以及硬件加速利用。 可靠性与安全性： 讨论嵌入式系统的可靠性设计，包括错误处理机制、异常处理、看门狗（Watchdog）的应用等。对于安全性，将介绍嵌入式系统中的安全威胁，以及基本的安全加固技术，如访问控制、数据加密等。 第五部分：项目实战与进阶主题 本书的最后一大部分将通过具体的项目案例，巩固前面所学的知识，并引入一些进阶的主题。我们将选取一些典型的嵌入式应用场景，如智能家居控制器、工业数据采集节点、嵌入式医疗设备等，从需求分析开始，逐步完成整个软件开发过程。通过这些案例，读者将有机会亲身体验如何将理论知识应用于实际问题。 此外，本部分还将触及一些进阶主题，例如： 嵌入式Linux开发： 对于基于Linux的嵌入式系统，将简要介绍交叉编译、内核配置、设备树（Device Tree）等基本概念。 固件更新（OTA）： 介绍如何实现安全的空中固件更新机制，确保设备的长期维护和功能迭代。 人工智能（AI）在嵌入式系统中的应用： 简要探讨如何在资源受限的嵌入式设备上部署轻量级的AI模型，例如边缘AI的应用。 本书致力于提供一套完整、实用、易于理解的嵌入式系统软件开发指南。无论您是初学者还是有一定经验的开发者，都能从中受益，掌握在真实世界中成功构建嵌入式软件的必备技能。

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阅读过程中，我发现作者在保持技术严谨性的同时，也十分注意保持叙述的流畅性，这一点在处理复杂算法时尤为不易。举例来说，在涉及非线性变换和颜色空间转换的章节，涉及大量的查找表（LUT）设计。作者不仅给出了如何根据输入范围和精度要求来确定LUT尺寸的方法，还探讨了在有限内存资源下，如何利用对称性或周期性对LUT进行压缩和优化，并给出了具体的内存映射方案。这种从算法到硬件资源的全面考量，体现了作者深厚的系统工程背景。这本书的排版设计也值得称赞，虽然内容密度很大，但关键概念和代码块的缩进与高亮处理得当，使得长篇幅的阅读过程不易产生疲劳感。对于那些希望通过自学掌握高级数字信号处理在特定平台实现能力的读者来说，这本书提供了一个非常清晰的路线图。它清晰地界定了“理论可行”与“工程有效”之间的边界，并教会读者如何跨越这条鸿沟。我个人认为，这本书更像是一份高度浓缩的工程文档，而不是一本轻松的科普读物，它需要读者具备一定的预备知识才能充分领会其中的精妙之处。

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翻开内页，我立刻被作者那股“刨根问底”的求真精神所感染。这本书的叙述风格非常老派且扎实，它不像市面上很多快餐式的技术书籍那样追求“快速入门”，而是更像一位经验丰富的老工程师在手把手地带你“趟过”那些最难啃的骨头。我特别欣赏作者在讲解数据结构和内存布局优化时所展现出的那种近乎苛刻的精确性。比如，它详细分析了不同数据对齐策略对缓存命中率的影响，并且用图示和实测数据对比了这些微小差异在数十万次迭代运算中所累积产生的巨大性能鸿沟。这已经超出了普通图像处理书籍的范畴，它深入到了系统级编程的精髓。对于那些习惯了在高级语言环境中进行原型开发的人来说，这本书无疑是一剂强心针，它迫使你必须重新审视你对“效率”的定义。更难能可贵的是，作者并没有回避那些在实际工程中经常遇到的“陷阱”和“怪问题”，反而将其作为重要的教学点进行剖析，这种坦诚和深度极大地提高了读者的解决问题的能力。读完前几章，我感觉自己对处理器的流水线操作、数据预取机制有了前所未有的直观认识，这对于任何从事高性能计算的人来说都是至关重要的知识财富。

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这本书最让我印象深刻的一点是它对于性能瓶颈分析的透彻性。作者似乎为读者准备了一套系统的“诊断工具箱”，它不仅教你如何写出能跑的代码，更重要的是，教你如何找出代码中那些隐藏的性能杀手。比如，在讲解图像去噪算法的迭代优化时，书中详细分析了数据依赖链对处理器并行执行单元的制约，并提出了几种规避长依赖的重排序策略。这种对并行计算底层原理的洞察力，使得书中的所有优化建议都建立在非常牢固的计算机体系结构基础之上，而不是停留在表面的代码技巧层面。它成功地将抽象的“提升帧率”目标，分解成了诸如“减少总线竞争”、“优化寄存器分配”等一系列可量化的、可实现的工程步骤。对于那些肩负着将实验室算法转化为商业产品的工程师而言，这本书提供的不仅仅是算法实现，而是一套完整的、经受过严苛性能检验的工程方法论。它教会你的，是如何用最少的资源，跑出最快的速度，这才是核心价值所在。

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这本书的深度和广度令人印象深刻，它不是一个单一技术的入门指南，而更像是一部浓缩了数十年行业经验的“武功秘籍”。我尤其关注其中关于滤波器的实现部分，作者没有满足于标准的卷积算法，而是细致入微地阐述了如何根据特定的硬件架构特性，对空间域和频率域的滤波器进行重构与优化，包括但不限于分离式滤波器的应用以及如何避免不必要的乘法操作。这种级别的细节处理，让我开始重新审视我过去在软件层面上做的一些优化决策——很多时候，我们以为的优化，在底层硬件面前可能根本不值一提。此外，书中穿插的那些小段落，往往是作者对某个特定技术选择的“哲学思考”，比如为什么选择某种特定的查找表结构而不是动态计算，这种思考的深度让这本书的阅读体验变得非常充实，每一次停顿和思考都仿佛在进行一次深度的技术对话。对于想要构建专业级实时处理系统的读者，这本书提供了一个非常坚实的理论基础和一套经过反复锤炼的实践范式。它要求读者投入大量的时间和精力去消化，但回报绝对是巨大的，它帮你建立了一种“硬件感知型”的算法设计思维。

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这本书的封面设计确实很抓人眼球，那种深邃的蓝色调配上电路板的纹理，一下子就让人联想到精密和前沿的科技感。我拿到手的时候，首先注意到的是它的装帧质量，纸张的手感很扎实，印刷的清晰度极高，即便是那些复杂的流程图和代码片段，看起来也毫不费力。虽然我目前的研究方向并不完全聚焦于嵌入式系统的底层开发，但我对图像处理算法的实现效率一直很关注。这本书在理论推导部分的处理非常严谨，公式的推导过程清晰可见，对于那些希望深入理解算法底层优化逻辑的读者来说，这无疑是一份宝藏。作者似乎非常擅长将抽象的数学概念转化为可操作的工程实践，这一点从章节的组织结构中就能体现出来，它不是简单地罗列算法，而是将每一步优化都与具体的硬件特性（比如指令集、内存访问模式）紧密地结合起来进行讲解。特别是关于快速傅里叶变换在实时系统中如何进行硬件加速的那一节，我感觉自己仿佛站在了那个被优化过的硬件架构面前，感受到了数据流动的速度与激情。如果说有什么可以稍微改进的地方，或许是希望能够增加一些更具趣味性的案例分析，比如结合一些经典的计算机视觉任务，让读者能更直观地感受到这种底层优化带来的巨大性能飞跃，而不是仅仅停留在理论和代码层面的展示，但瑕不掩瑜，对于追求极致性能的工程师而言，这本书绝对是案头必备的参考书。

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