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页数:207

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出版时间:2009-9

价格:24.00元

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isbn号码:9787111276968

丛书系列:

图书标签:

• 数字电路
• 电子技术
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• 数字电子
• 电路分析
• 模拟电路
• 半导体
• 电子工程
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• 高等教育

《嵌入式系统设计与实践：从理论到应用的全面指南》 书籍简介 在当今快速迭代的电子信息时代，嵌入式系统已渗透到我们生活的方方面面，从智能手机、物联网设备到工业控制系统和汽车电子，无不依赖于高效、可靠的嵌入式解决方案。本书《嵌入式系统设计与实践：从理论到应用的全面指南》旨在为读者提供一个全面且深入的学习路径，覆盖嵌入式系统设计的核心理论、关键技术以及丰富的工程实践经验。它不仅仅是一本技术手册，更是一本引导工程师从概念走向实现的实战指南。 本书的架构设计遵循“理论基础—核心技术—前沿应用”的逻辑主线，确保读者在掌握底层硬件交互机制的同时，能熟练运用上层软件开发技巧，并最终能够独立完成复杂的嵌入式项目。 第一部分：嵌入式系统基础与微控制器架构 本部分将系统地介绍嵌入式系统的基本概念、发展历程和典型结构。我们将深入剖析嵌入式系统的核心——微控制器（MCU）和微处理器（MPU）的架构差异与选择原则。 1.1 嵌入式系统概论： 清晰界定嵌入式系统的定义、特点（如实时性、功耗约束、专用性）以及其在不同行业中的分类（如实时控制、信息处理、通信类）。我们将探讨嵌入式系统生命周期管理，从需求分析到系统维护的完整流程。 1.2 处理器核心技术解析： 重点剖析主流的处理器架构，特别是基于ARM Cortex-M系列微控制器的内部结构。我们将详细讲解指令集（RISC/CISC的对比）、流水线技术、异常处理机制（中断与非中断请求）以及内存管理单元（MMU/MPU）在嵌入式环境中的作用。对于资源受限的系统，我们将探讨精简指令集架构（如MIPS或特定DSP核）的优势。 1.3 存储器系统与总线结构： 深入探讨片上存储器（SRAM、Flash/EEPROM）的读写时序、耐久性与速度特性。总线协议是系统性能的关键瓶颈，本书将详述常见的片上总线标准（如AHB、APB、AXI），分析它们如何影响数据传输效率和系统扩展性。 1.4 时钟、复位与电源管理： 介绍系统时钟树的配置、锁相环（PLL）的工作原理，以及如何确保系统在不同工作模式下的时序稳定性。复位电路的设计是系统可靠性的基石，我们将讨论上电复位（POR）和看门狗定时器（WDT）在保证系统启动和运行稳定中的作用。功耗优化是现代嵌入式设计的核心，本章将覆盖低功耗模式（如睡眠、深度睡眠）的触发条件与唤醒机制。 第二部分：底层驱动与实时操作系统 掌握硬件接口是嵌入式开发的基础。本部分聚焦于如何通过软件有效地控制和利用片上外设，并引入实时操作系统（RTOS）以管理复杂任务和保证时间确定性。 2.1 基础硬件接口编程： 详细讲解通用输入/输出（GPIO）的配置和应用，包括推挽、开漏输出模式的选择。定时器/计数器的原理与应用，例如生成PWM信号控制电机或测量输入脉冲宽度。中断服务程序（ISR）的编写规范、上下文切换与优先级管理，是确保快速响应的关键。 2.2 串行通信协议栈： 全面覆盖嵌入式系统中常用的标准通信接口。 UART/USART： 异步通信的波特率计算、校验位设置及数据帧格式。 SPI与I2C： 讲解其主从模式、时序图、多设备仲裁机制。特别强调在高速SPI通信中数据同步的挑战与解决方案。 其他接口： 简要介绍CAN（用于汽车和工业控制）和USB（作为主机或设备）的底层数据包结构和初始化流程。 2.3 模数/数模转换（ADC/DAC）： 深入探讨采样定理、量化误差、参考电压选择。分析逐次逼近寄存器（SAR）ADC的工作流程，并讨论过采样和数字滤波技术在提高信噪比中的应用。 2.4 实时操作系统（RTOS）精讲： 引入多任务调度的概念，对比抢占式、协作式调度策略。重点讲解RTOS的核心组件： 任务管理： 任务状态转换、优先级继承与优先级反转问题。 同步与互斥： 信号量（Semaphore）、互斥锁（Mutex）和事件标志（Event Flags）在避免竞态条件中的应用。 进程间通信（IPC）： 消息队列（Message Queue）和邮箱（Mailbox）在数据安全传递中的作用。 第三部分：高级嵌入式软件工程与调试 本部分将视角提升到软件架构设计和工程化实践层面，涵盖嵌入式Linux的移植、驱动开发以及确保代码质量的调试技术。 3.1 嵌入式Linux基础与内核裁剪： 介绍嵌入式Linux与桌面Linux的区别，重点关注其对资源受限环境的优化。讲解Bootloader（如U-Boot）的工作流程，如何通过内核配置（Kconfig）和设备树（Device Tree, DT）实现最小化、定制化的系统启动。 3.2 设备驱动程序（Device Driver）开发： 阐述Linux驱动的模型（字符设备、块设备、网络设备）。详细介绍驱动开发中的关键函数：`probe`、`open`、`read/write`的操作流程，以及如何正确地使用I/O内存映射（ioremap）和中断注册机制。我们将通过一个实际的I2C传感器驱动实例，演示如何编写健壮的、符合内核规范的代码。 3.3 固件安全与OTA更新： 探讨嵌入式设备面临的安全威胁（如物理攻击、侧信道攻击）。讲解代码签名、安全启动（Secure Boot）的基本流程。对于联网设备，系统介绍可靠的空中下载（OTA）更新机制的设计，包括双备份分区（A/B Partitioning）和原子更新策略。 3.4 软件调试与性能分析： 调试是嵌入式开发的生命线。本书将详细介绍硬件调试工具（JTAG/SWD）的使用方法，如何设置断点、观察寄存器和内存状态。软件层面，我们将探讨使用GDB进行远程调试，并介绍动态分析工具（如Valgrind、Perf）在嵌入式Linux环境中定位内存泄漏和性能瓶颈的技巧。 第四部分：前沿应用与系统集成 本部分将引导读者将所学知识应用于实际的高级应用场景，探讨系统集成中的挑战。 4.1 传感器数据融合与物联网（IoT）： 讲解如何从多个异构传感器（如IMU、环境传感器）采集数据，并使用卡尔曼滤波（Kalman Filter）等算法进行数据融合，以提高状态估计的准确性。介绍MQTT、CoAP等轻量级协议在资源受限设备接入云平台时的实现细节。 4.2 嵌入式图形用户界面（GUI）： 针对需要人机交互的系统，介绍嵌入式GUI库（如LVGL、Qt for Embedded）的选择标准和移植流程。重点讨论GUI渲染对CPU和内存资源的消耗，以及如何通过硬件加速（如GPU/DPI接口）优化显示性能。 4.3 低功耗与边缘计算： 探讨在电池供电场景下，如何通过软件算法（如间歇性工作、事件驱动架构）将系统功耗降至最低。对于边缘计算应用，分析如何将轻量级的机器学习模型（TinyML）部署到资源受限的MCU上，实现本地智能决策。 本书内容组织严谨，案例丰富，旨在培养读者系统性的设计思维和扎实的工程实现能力，使其能胜任现代复杂嵌入式系统的开发工作。

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