嵌入式应用程序开发综合实验9例:基于博创ARM300教学平台和各类手持设备(附光盘) (平装)

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出版者:清华大学出版社
作者:俞建新
出品人:
页数:297 页
译者:
出版时间:2004年1月1日
价格:33.0
装帧:平装
isbn号码:9787302086727
丛书系列:嵌入式系统教学系列丛书
图书标签:
  • 嵌入式系统
  • ARM
  • 博创ARM300
  • 实验教程
  • 应用开发
  • 单片机
  • 手持设备
  • 教学
  • 实践
  • 电子工程
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具体描述

本书是嵌入式系统应用软件开发案例实验教材。全书共分10章。第1章嵌入式系统实验概论,介绍了基于ARM处理器和C/OS—II 操作系统的嵌入式编程的基础知识和独有特点,以及基于UP-NetARM300实验系统开发应用软件的流程。随后各章分别说详细介绍一个UP-NetARM300实验系统的综合实验案例项目。它们是一些典型的嵌入式应用软件,类似于手持设备上的游戏软件。项目名称依次是:游蛇吃豆、十字路口交通控制系统、井字棋、电子菜单、华容道、世界时钟、汉诺塔、计算器和捉小鸡。

对本书的每一个综合实例控制系统、井字棋、电子菜单、华容道、世界时钟、汉诺塔、计算器和捉小鸡通过这些案例,读者可以获知嵌入式综合应用程序的编写方法、实验报告的编写要点、自行开发类似程序的帮助指导、嵌入式应用软件的开发流程和技巧。

本书可以作为高等院校有关嵌入式系统教学的本科生或者研究生的案例实验教材,也适合作为各类相关培训班的教材,还可以作为机电仪一体化控制系统、信息电器、工业控制、手持设备、智能不玩具、游戏软件等方面嵌入式应用软件开发人员的参考书及嵌入式系统爱好者的自学用书。

嵌入式系统前沿探索:基于新型处理器的硬件设计与软件实现 本书聚焦于当前嵌入式系统开发领域的热点与难点,旨在为读者提供一套前瞻性的、结合主流硬件平台与新兴软件技术的实践指南。本书内容完全独立于“嵌入式应用程序开发综合实验9例”及博创ARM300平台,致力于深入剖析新一代微控制器(MCU)和微处理器(MPU)的架构优势,并辅以丰富的代码示例和项目案例,涵盖从底层硬件交互到复杂应用软件构建的全流程。 --- 第一部分:新一代嵌入式处理器架构深度解析 本部分着重介绍当前工业界和学术界广泛关注的处理器系列,如RISC-V架构的开源生态,以及高性能Cortex-M系列的新特性扩展。 第1章:RISC-V指令集与工具链的本土化实践 本章将详尽阐述RISC-V指令集(RV32I/RV64I)的设计哲学,重点分析其模块化扩展(如M、A、F、D、V扩展)如何适应不同功耗和性能需求。 1.1 RISC-V生态系统概览:从OpenTitan到SiFive生态。 1.2 交叉编译环境的搭建:使用GNU Build System (Buildroot/Yocto) 构建定制化的交叉编译工具链,包括GCC、Binutils和GDB的配置。 1.3 硬件抽象层(HAL)的构建:如何为特定的RISC-V开发板(如基于SiFive FE310或平头哥玄铁系列)设计一套可移植的、高效的寄存器级访问接口,涵盖GPIO、定时器和中断控制器(PLIC/CLIC)。 1.4 首次启动代码(Bootloader)的实现:解析Linker Script的编写规则,并使用汇编语言实现初始化堆栈、清零BSS段以及跳转至C语言`main`函数的标准流程。 第2章:高级Cortex-M内核(M33/M55)的TrustZone与安全机制 本章关注在物联网(IoT)设备中日益重要的安全隔离技术,以Cortex-M33/M55内核为例进行讲解。 2.1 TrustZone for ARMv8-M架构详解:区分安全世界(Secure World)与非安全世界(Non-Secure World)的内存映射、总线仲裁和特权级别(Privilege Levels)。 2.2 安全启动(Secure Boot)流程:设计一个包含硬件信任根(RoT)验证的启动链,确保只有经过签名的固件才能在安全世界中执行。 2.3 隔离内存与外设访问控制:利用MPU/MMU(如果可用)和TrustZone的内存保护单元(PPU)配置,实现关键数据和算法对非安全应用层的隔离。 2.4 安全通信协议栈的初步探索:使用轻量级加密库(如TinyAES/mbedTLS裁剪版)在安全世界中实现数据的加密与解密。 --- 第二部分:高性能嵌入式软件开发范例 本部分将侧重于使用现代C++和实时操作系统(RTOS)技术,开发具有高并发性和可维护性的嵌入式应用。 第3章:现代C++在资源受限环境下的应用(C++17/20特性) 摒弃传统的C风格编程,本章展示如何利用现代C++特性提高代码的健壮性和表达力。 3.1 编译期计算与模板元编程(TMP):使用`constexpr`和`if constexpr`优化驱动初始化逻辑,实现零开销的抽象层。 3.2 智能指针与资源管理:在RTOS任务间安全地传递资源句柄,避免传统的内存泄漏和悬空指针问题。 3.3 并发编程的STL容器:结合FreeRTOS或Zephyr的互斥锁/信号量,实现线程安全的数据结构(如线程安全的队列和映射)。 3.4 异步操作与协程初探(基于编译器支持):如何在嵌入式环境中模拟或利用C++20协程(Coroutines)处理复杂的I/O等待和状态机逻辑。 第4章:实时操作系统(RTOS)的高级调度与资源同步 以FreeRTOS和Zephyr RTOS为例,深入探讨实时系统的核心机制。 4.1 多核/异构系统中的调度策略:分析SMP(Symmetric Multi-Processing)和AMP(Asymmetric Multi-Processing)模式下的任务分配与负载均衡。 4.2 时间触发(TT)与事件驱动(ED)混合调度:设计一个能够满足严格截止时间要求的工业控制应用调度模型。 4.3 高效的软件定时器管理:实现一个可重入的、基于链表的软件定时器服务,避免RTOS内核的过度调用。 4.4 跨任务数据交换的优化:比较消息队列、事件标志组和管道(Pipes)在不同场景下的性能和资源占用。 --- 第三部分:前沿技术在嵌入式中的集成与应用 本部分关注当前嵌入式系统连接性和智能化发展趋势,提供基于特定硬件接口的完整解决方案。 第5章:基于高速接口的传感器数据采集与预处理(USB 3.x/PCIe/Ethernet) 本章不再局限于传统的SPI/I2C,转而处理需要高带宽和低延迟的设备连接。 5.1 USB Device Class的定制开发:使用Linux内核驱动或裸机实现自定义的USB CDC/Vendor-Specific Class,实现高速数据传输。 5.2 DMA(直接内存访问)的高效利用:配置DMA控制器,实现从高速ADC或网络接口到内存的高效数据搬运,卸载CPU负担。 5.3 实时以太网(Time-Sensitive Networking, TSN)基础:概述TSN的同步机制(IEEE 802.1AS)及其在工业控制中的应用,并提供一个简单的UDP数据包时间戳记录实验。 第6章:轻量级容器化与虚拟化技术在嵌入式环境中的实践 探讨如何利用Linux内核的命名空间和控制组(cgroups)技术,实现嵌入式应用的隔离与部署。 6.1 Rootfs的精简与定制:使用BusyBox和最小化发行版(如Alpine Linux for ARM),构建一个体积不超过50MB的根文件系统。 6.2 Docker/Podman的交叉编译与移植:分析在资源受限的MPU(如i.MX8/树莓派CM4)上运行容器引擎所需的内核配置和依赖项。 6.3 轻量级Hypervisor的应用:以Xen或KVM的ARM虚拟化扩展为例,演示如何在同一个硬件上安全地运行一个实时OS和一个通用Linux系统。 第7章:边缘计算中的模型部署与推理加速 本章将指导读者如何将深度学习模型部署到边缘设备上,并利用硬件加速器。 7.1 模型量化与剪枝:从TensorFlow Lite或PyTorch Mobile的角度,介绍如何将浮点模型转换为INT8或更低精度的模型,以适配嵌入式NPU/DSP。 7.2 硬件加速API调用:针对特定的AI加速器(如ARM Mali GPU的OpenCL/Vulkan或高通/NVIDIA的专有SDK),编写调用推理引擎的驱动接口。 7.3 边缘AI应用的状态管理:如何设计一个包含模型加载、推理循环和后处理的鲁棒性任务,确保在系统重启或数据异常时能快速恢复。 --- 第四部分:系统级调试、性能分析与持续集成 本书最后一部分强调现代嵌入式开发中的工程化实践,确保软件质量和可维护性。 第8章:JTAG/SWD的高级调试技术与追踪 超越简单的断点设置,本章深入挖掘硬件调试接口的潜力。 8.1 CoreSight/ETM(嵌入式追踪宏单元)的使用:配置ETM以捕获特定代码路径上的所有指令流和数据访问,用于定位复杂的实时竞争条件。 8.2 硬件断点与数据观察点:在不中断系统运行的情况下,监控特定内存地址的读写操作,诊断内存污染问题。 8.3 非侵入式系统性能分析:利用DWT(数据观察点单元)和PMU(性能监控单元)收集CPU周期、缓存命中率等指标,进行精确的性能瓶颈分析。 第9章:嵌入式软件的持续集成/持续部署(CI/CD)实践 将DevOps理念引入嵌入式开发流程。 9.1 基于Jenkins/GitLab Runner的自动化构建:配置自动化流程,实现代码提交后自动编译、静态代码分析(如Cppcheck/Clang-Tidy)和单元测试的执行。 9.2 硬件在环(HIL)测试的自动化:设计适配器和测试脚本,使自动化测试平台能够驱动目标硬件进行功能验证和回归测试。 9.3 OTA(空中下载)固件升级的安全机制:实现A/B分区策略和固件签名验证,确保远程更新过程的可靠性与安全性。 --- 本书适用于具备一定微控制器或操作系统基础的工程师、技术爱好者以及高等院校相关专业的学生。它不依赖于任何特定的教学光盘资源,提供的是一套基于通用、前沿开发理念的知识体系和实践方法论。

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这本书的叙事风格非常“工程师化”,直截了当,逻辑清晰,没有太多文学性的修饰,这恰恰是我最欣赏的一点。每一个实验案例都像是一个待解决的工程问题,然后书本提供了一套经过验证的、高效的解决方案。对于我个人而言,评估一本实验类书籍的优劣,核心在于其“可复现性”和“知识迁移性”。从我实际操作的几个案例来看,只要按照步骤来,无论是编译、烧录还是调试,成功率都非常高,这极大地增强了学习的信心。而关于“各类手持设备”的提及,也暗示了书中内容具备一定的通用性,即便你未来转投其他ARM平台,书中学到的那些底层I/O操作和系统资源管理思想,仍然是核心竞争力。它不仅仅是针对ARM300的教程,更是对现代嵌入式系统开发方法的深刻阐述。可以说,这是一份扎根于特定平台,但目标是提升读者综合项目能力的实用手册。

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坦白讲,市面上许多号称是“实战”的书籍,最后发现光盘里的代码跑起来一堆Bug,或者环境配置复杂到令人发指。对于这本《嵌入式应用程序开发综合实验9例》,我必须指出其在环境搭建和工程依赖性方面的优越性。针对“博创ARM300教学平台”这一特定载体,作者显然投入了大量的精力去确保实验代码与配套硬件的高度兼容性。这意味着,读者可以将更多的时间投入到理解算法和驱动逻辑上,而不是浪费在解决莫名其妙的编译错误上。这种对教学平台适配性的极致追求,对于时间宝贵的学习者是极大的福音。此外,实验内容的循序渐进设计,保证了难度曲线的平滑过渡。从简单的点亮LED开始,逐步过渡到需要复杂数据处理和状态管理的综合应用,使得读者能够逐步建立起对复杂系统的掌控感。这本书更像是一位经验丰富的导师,手把手地引导你完成从理论知识到实际产品原型构建的跨越。

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这本《嵌入式应用程序开发综合实验9例:基于博创ARM300教学平台和各类手持设备(附光盘)》的书籍,光从书名就能感受到它浓厚的实践色彩和针对性。我入手这本书已经有一段时间了,最大的感受就是,它不像市面上很多理论堆砌的教材那样让人望而生畏。作者显然是深知初学者和需要快速上手实践的工程师在学习嵌入式过程中的痛点。书中对于博创ARM300这个特定平台的结合非常紧密,这意味着如果你恰好在使用或计划使用这个平台进行教学或个人项目,那么这本书的参考价值几乎是无可替代的。它不是那种泛泛而谈的“嵌入式入门”,而是直接落到硬件和软件接口的实操层面。实验的设计看起来经过了精心的组织,从基础的I/O控制到稍微复杂的设备驱动,应该能构建出一个完整的知识体系。尤其值得称赞的是,这种“实战导向”的编写风格,能让人在跟着步骤操作的过程中,迅速建立起对ARM架构底层工作机制的直观理解,而不是仅仅停留在代码的表面。光盘的配置也极大地提升了便利性,省去了读者自行查找和配置繁琐驱动库的麻烦。总而言之,这本书的价值在于它提供了一个即插即用、高度集成的学习路径。

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初接触嵌入式领域时,我被各种复杂的工具链和晦涩的寄存器手册搞得焦头烂额,急需一本能将理论与实践完美结合的“拐杖”。这本书恰好填补了这一空白。它的结构设计非常贴合工程思维,不是一味地讲“是什么”,而是集中精力展示“怎么做”。我特别欣赏它在不同手持设备应用上的拓展,这表明作者的视野并不局限于单一的开发板,而是试图引导读者思考如何将核心技术迁移到更广阔的移动应用场景中去。这种前瞻性在快速迭代的电子产品世界里尤为重要。阅读过程中,我发现作者在讲解每一个实验时,都会细致地剖析背后的硬件原理和软件实现逻辑,确保读者在复制代码成功运行的同时,也能理解代码运行的原理。这种层层递进的讲解方式,有效地避免了“只知其然不知其所以然”的困境。对于想要快速提升项目经验,特别是需要在有限时间内完成一个具备实际功能产品的学习者来说,这本书的实用价值是巨大的,它提供了一种被验证过的、高效的解决方案模型。

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这本书带给我的最大惊喜,在于其对“综合性”的诠释。它远超出了普通实验指导书的范畴。我个人对那些只关注裸机编程或仅仅停留在操作系统的基础模块讲解的书籍感到厌倦,因为真实世界的嵌入式项目往往是多技术栈的融合。这本书显然意识到了这一点,它将嵌入式系统开发中常见的各种子领域——可能包括了传感器数据采集、人机交互界面设计(鉴于提到了手持设备),乃至可能涉及到一些简单的通信协议——整合到了九个核心案例中。这种整合能力对于培养系统级思维至关重要。每一次实验的完成,都像是在构建一个小型、但功能完备的系统。对于那些有一定C语言基础,但缺乏系统项目经验的工程师来说,这本书就像是一份高质量的“项目蓝图”。你可以从中学习到如何组织代码结构、如何管理资源,以及如何在一个集成了多种外设的平台上实现稳定运行。它不仅仅是教你如何操作ARM300,更是教你如何像一个真正的嵌入式工程师那样去思考和规划。

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