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出版者:北京航空航天大学出版社

作者:胡辉

出品人:

页数:236

译者:

出版时间:2002-8-1

价格:20.00

装帧:平装(无盘)

isbn号码:9787810771993

丛书系列:

图书标签:

• g
• 单片机
• 嵌入式系统
• Arduino
• C语言
• 电子制作
• DIY
• 硬件开发
• 初学者
• 实践教程
• 微控制器

深入探索：现代嵌入式系统设计与实践 引言： 在信息技术飞速发展的今天，嵌入式系统已渗透到我们生活的方方面面，从智能家电到工业控制，从移动设备到航空航天，其核心技术——微控制器（Microcontroller Unit, MCU）的应用与开发构成了现代电子工程领域不可或缺的一环。本书旨在为读者构建一个全面、深入且与时俱进的嵌入式系统设计与实践知识体系，重点关注当前主流的32位高性能微控制器架构、先进的软件开发范式以及系统级的优化策略。本书的编写脱离了对特定、单一的8位或16位入门级平台的机械性讲解，而是立足于工程应用的前沿需求，为读者提供一套可迁移、可扩展的高阶技能集。 第一部分：现代嵌入式系统的基石与架构 本部分将系统地剖析现代嵌入式系统的硬件基础和软件架构，为后续深入开发奠定坚实的理论基础。 第一章：32位高性能微控制器核心解析 本章将聚焦于目前工业界应用最广泛的Cortex-M系列处理器内核，例如M3、M4（含FPU浮点单元）以及M7架构。我们将深入探讨其流水线设计、特权级别（如Handler Mode与Thread Mode）、中断和异常处理机制（NVIC的精确和嵌套中断管理），以及存储器保护单元（MPU）的功能与配置。重点分析缓存（Cache）的一致性问题和预取机制如何影响实时性能。不同Cortex-M等级之间的性能差异、功耗管理特性，以及如何根据项目需求选择合适的内核，将是本章的核心内容。 第二章：存储器映射与总线结构 理解微控制器内部的存储器访问协议是高效编程的前提。本章详细阐述AHB（Advanced High-performance Bus）和APB（Advanced Peripheral Bus）的总线矩阵结构，分析DMA（直接内存访问）控制器如何通过总线仲裁器实现高效数据传输，从而卸载CPU的负担。我们将解析Flash、SRAM、外部SDRAM（如果涉及）的物理布局，以及如何利用链接脚本（Linker Script）精确控制代码和数据在不同存储区域的存放位置，这是实现代码重定位和启动优化的关键步骤。 第三章：时钟树与电源管理精要 时钟是嵌入式系统的“心跳”。本章将深入剖析复杂的片上时钟生成系统，包括内部振荡器、外部晶振（HSE/LSE）的选择、锁相环（PLL）的倍频与分频设置，以及如何构建稳定、低抖动的系统时钟。随后，我们将讨论先进的电源管理策略，如低功耗模式（Sleep, Stop, Standby）的功耗特性分析，唤醒源的精确配置，以及如何通过动态频率调节（DVFS）策略在满足实时性要求的同时最大限度地降低系统能耗。 第二部分：外设驱动与底层接口编程 本部分着重于如何高效、可靠地操作微控制器集成的各类关键外设，并掌握现代驱动开发方法论。 第四章：高级定时器与脉冲宽度调制（PWM） 我们将超越简单的计数器应用，深入研究通用定时器（TIM）的高级功能，如互补输出驱动、死区时间生成、编码器接口模式。针对PWM部分，重点讲解如何实现高分辨率、多通道的电机控制或电源管理所需的波形输出，并探讨如何利用硬件死区注入功能保证功率器件的安全切换。 第五章：异步与同步通信协议的深入应用 本章全面覆盖UART、SPI、I2C等基础通信协议的底层实现和性能优化。对于UART，分析波特率的精确计算与误差控制；对于SPI，讨论主/从模式切换、多设备片选（CS）的管理，以及时序对数据完整性的影响。特别地，我们将详细介绍I2C总线上的仲裁丢失、应答位（ACK/NACK）处理、多主模式的协作机制，并简要引入CAN总线在车载和工业网络中的应用。 第六章：模数转换（ADC）与数模转换（DAC）的精度控制 本章关注数据采集的质量。针对ADC，我们将解析采样保持电路的工作原理，探讨欠采样、过采样技术对提高信噪比（SNR）的贡献，以及如何利用硬件平均或对数比较器进行数据预处理。对于DAC，分析其线性度、建立时间以及在生成波形应用中的抖动控制。 第三部分：实时操作系统（RTOS）与并发控制 在复杂系统中，管理任务间的并发执行和资源竞争是核心挑战。本部分专注于现代RTOS的原理与实践，重点关注工业级应用所需的可靠性。 第七章：RTOS核心机制剖析 本书不依赖于特定的RTOS示例，而是从操作系统原理出发，深入讲解任务调度算法（如固定优先级、轮转、优先级继承/反转的解决方案），上下文切换的开销与实现细节。我们将详细讨论内核对象，如信号量、互斥锁（Mutex）和事件标志组（Event Flags）的正确使用范式，并分析死锁的产生条件与预防策略。 第八章：中断与实时性保证 RTOS与中断的交互是嵌入式实时系统的生命线。本章将阐述如何设计高效的中断服务程序（ISR），确保其快速返回以减少对任务调度的影响。深入分析中断延迟的来源，包括总线竞争、CPU关中断时间和NVIC优先级配置对端到端延迟的影响。我们将探讨“中断安全”的代码编写原则，即如何安全地从中断上下文访问共享资源。 第九章：内存管理与堆栈溢出防护 RTOS环境下的内存管理面临静态分配与动态分配的权衡。本部分将对比不同内存池（Heap）管理算法（如Best-Fit, First-Fit）的效率和碎片化问题。重点将放在如何使用MPU或MMU（如果内核支持）来隔离任务内存空间，设置栈区边界，并利用工具和运行时监控机制主动检测和防止栈溢出对系统稳定性的破坏。 第四部分：软件工程与系统级优化 本部分提升到软件工程的高度，探讨如何构建可维护、可调试、高性能的嵌入式软件。 第十章：驱动程序的设计模式与抽象层 我们将介绍现代驱动开发中推崇的“HAL（硬件抽象层）”设计哲学，以及如何构建一个清晰分离的BSP（板级支持包）。探讨使用有限状态机（FSM）来管理复杂外设（如USB、以太网控制器）的状态转换，并强调面向对象设计原则在C语言驱动开发中的应用，以增强代码的复用性和可移植性。 第十一章：调试、跟踪与性能分析工具链 有效的调试是嵌入式开发成功的关键。本章将详细介绍JTAG/SWD调试接口的底层操作，如何利用断点、观察点、寄存器查看等功能定位复杂错误。更重要的是，我们将聚焦于非侵入式的性能分析技术，如ETM（嵌入式跟踪宏单元）的使用，分析代码热点、缓存命中率、总线带宽瓶颈，并利用逻辑分析仪和示波器对物理层信号进行验证。 第十二章：固件更新与安全启动机制 在物联网和工业4.0的背景下，空中升级（OTA）和固件防篡改变得至关重要。本章将探讨Bootloader的设计，包括双备份分区策略（A/B分区）的实现。最后，我们将介绍基础的加密校验（如CRC32）和数字签名（如RSA/ECC）在固件加载阶段的应用，以确保系统在启动时加载的软件来源可靠且未被恶意修改。 结论： 本书汇集了当前嵌入式系统开发所需的高阶知识和工程实践经验，旨在帮助读者跨越基础入门阶段，直接面向复杂、高可靠性项目的挑战。掌握这些技术，读者将能够设计出性能卓越、功耗优化得当且易于维护的现代嵌入式解决方案。

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从一个爱好电子制作的“发烧友”角度来看待《跟我学用单片机》，这本书在内容广度和深度上的平衡把握得相当出色。它没有局限于某一特定型号的单片机，而是覆盖了应用中最广泛的那一类，这使得知识的可迁移性非常强。最令我欣赏的一点是，它在讲解完基础的输入输出和定时控制后，立刻就引入了外部设备接口的标准和协议，比如如何与EEPROM进行I2C通信，或者如何驱动一块简易的LCD显示屏。这些内容往往是其他入门书籍会一带而过，或者留到进阶章节的知识点，但这本书却将其巧妙地融入了初级实践中。这使得读者在学习过程中就能接触到真实的硬件交互场景，极大地提升了学习的趣味性，避免了纯粹的“点灯”教学带来的枯燥。我尤其喜欢它对中断服务程序的讲解部分，作者没有仅仅停留在如何配置中断向量，而是详细分析了在中断服务程序中应遵循的“黄金法则”——哪些操作需要快速完成，哪些操作应该避免。这种注重规范和效率的细节指导，体现了作者深厚的工程经验，让读者在学习的初期就养成了良好的编程习惯。

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这本书的魅力，很大程度上源于它所传达出的那种“工具属性”——它不把自己定位为一本高深的理论著作，而是定位为一本可以让你迅速“上手干活”的实用手册。它的章节组织逻辑非常清晰，结构严谨，就像一个精心设计的任务流程图。读者可以根据自己的需求，选择性地深入某个模块的学习，而不会因为知识点的耦合度太高而感到受阻。比如，如果我对A/D转换特别感兴趣，我可以快速定位到相关章节，书中的讲解清晰流畅，理论背景知识介绍得恰到好处，既保证了理解的深度，又不会过度冗余。此外，这本书在配图和代码示例的质量上也做得非常出色。所有的电路图都清晰易辨，没有那种模糊不清、难以辨认的低质量扫描图。代码块格式规范，注释清晰明了，并且针对不同硬件平台（比如使用不同型号开发板时）可能出现的细微差异也做了提示。这种对细节的极致关注，使得阅读过程几乎没有阅读障碍，极大地提升了学习效率。它成功地将一个看似高冷的电子技术领域，转化成了一项任何人只要肯投入时间就能掌握的实用技能。

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说实话，我是一个对技术书籍有相当高要求的“老读者”了，手头积累了不少关于嵌入式系统的参考资料，但大多偏向于理论深度挖掘或是特定芯片的高级应用。然而，当我翻开《跟我学用单片机》时，我发现它提供了一种非常独特且实用的学习视角——那种扎根于工程实践的“快餐式”高效入门路径。这本书的妙处在于它极度务实，没有过多纠缠于单片机底层架构的历史渊源或者芯片家族的宏大叙事，而是直击目标：如何快速、有效地让这颗“小电脑”为我所用。它对开发环境的搭建、常用软件的使用流程讲解得非常详尽，几乎没有留下任何让初学者感到迷茫的空白地带。最赞的是它对“C语言编程”在单片机应用中的侧重点把握得非常到位，很多其他书籍只是简单介绍C语言语法，而这本书却明确指出了哪些语法结构在嵌入式编程中是高频且关键的，例如位操作、指针的灵活运用等，并结合实际的I/O控制进行了深入浅出的示范。这种“学以致用”的教学导向，对我后续转向更复杂的项目开发打下了非常坚实的基础。总而言之，这本书不是那种停留在纸面上的学术论文，而是一本可以直接拿来操作的“工具手册”和“实践指南”。

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这本《跟我学用单片机》简直是为我这种初学者量身定做的！我之前尝试过几本号称“入门”的书籍，结果要么是概念堆砌，要么就是代码晦涩难懂，看得我一头雾水。但是这本书，真的做到了“跟我学”这三个字。它不是那种上来就抛一堆寄存器地址和汇编指令的书，而是从最基本的电路常识、单片机的工作原理开始讲起，语言生动有趣，仿佛有一位耐心又幽默的老师在手把手地教你。特别是它对实验环节的讲解，详略得当，每一个实验步骤都配有清晰的原理图和实物接线图，让我这个动手能力较弱的人也能顺利完成。我记得我第一次成功点亮那个LED灯时，那种成就感简直无与伦比。这本书的结构安排也非常合理，循序渐进，从51系列的基础知识过渡到中断、定时器、串口通信等核心模块，内容衔接得非常自然，完全没有突兀感。让我印象深刻的是，它还穿插了许多实际应用案例的分析，比如如何用单片机制作一个简易的电子时钟，这让理论学习立刻变得鲜活起来，极大地激发了我深入研究下去的兴趣。这本书的排版也很舒服，字体大小适中，图文并茂，即便是长时间阅读也不会感到眼睛疲劳。对于想踏入单片机世界的朋友们来说，这本书绝对是开启大门的钥匙，强烈推荐！

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这本书的编写风格有一种非常鲜明的“工程师思维”，精准、高效，并且充满了解决问题的导向性。我发现它在处理一些复杂概念时，不像传统教材那样使用复杂的数学公式或抽象的理论模型，而是大量采用类比和场景化的描述。比如，讲解定时器溢出时，它会把它比喻成一个精确的“倒计时沙漏”，一旦沙子漏完，就会触发一个预设的事件，这种生动的比喻极大地降低了理解门槛。另外，书中对错误处理和调试技巧的介绍也相当到位，很多时候，代码写出来跑不起来，最大的障碍往往在于调试。这本书专门开辟了一部分内容来讲解如何利用仿真软件逐步跟踪程序的执行流程，如何观察寄存器的实时变化，以及常见逻辑错误的排查思路。这种“防坑指南”式的教学，比单纯教你“怎么做”更有价值，它教你的是“为什么会失败”以及“如何避免失败”。对于那些希望在短时间内掌握单片机基础应用技能的在职人员或学生来说，这种注重实践效率的表达方式无疑是最高效的学习路径。它真的做到了，让你在阅读的同时，就已经在脑海中构建起了实际的硬件操作模型。

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