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出版者:人民邮电出版社

作者:汪金营

出品人:

页数:242

译者:

出版时间:2004-1

价格:21.00元

装帧:简裝本

isbn号码:9787115123855

丛书系列:

图书标签:

• C语言
• 程序设计
• 案例教程
• 入门
• 教学
• 编程
• 算法
• 实践
• 代码
• 学习

《嵌入式系统原理与实践：基于ARM Cortex-M微控制器》 内容简介 本书旨在为读者提供一个全面、深入且极具实践指导意义的嵌入式系统开发教程。我们聚焦于当前工业界和学术界广泛采用的ARM Cortex-M系列微控制器，以其卓越的性能、低功耗特性和丰富的生态系统，成为现代嵌入式系统设计的核心。本书内容结构严谨，从底层硬件架构剖析到上层操作系统移植与应用开发，循序渐进，旨在培养读者扎实的理论基础和强大的工程实践能力。 第一部分：嵌入式系统基础与ARM架构 本部分是理解后续复杂内容的基础。我们首先界定嵌入式系统的概念、特点及其在现代社会中的广泛应用，涵盖了从消费电子到工业控制、医疗设备等多个领域。随后，我们将深入讲解硬件基础，特别是微控制器（MCU）的核心组成部分，如存储器（Flash、SRAM）、时钟系统、复位电路和总线结构（如AHB、APB）。 重点章节将详细阐述ARM Cortex-M内核的体系结构。我们将以Cortex-M3/M4为例，解析其寄存器集、指令集（Thumb-2），以及关键的执行模式（线程模式与Handler模式）。特别地，本书将详述中断机制——这是嵌入式实时性的基石。我们将剖析NVIC（嵌套向量中断控制器）的配置、中断向量表、优先级分组和抢占机制，确保读者能够高效、可靠地处理各类外部和内部事件。 此外，我们还会覆盖嵌入式系统中的关键外设接口：GPIO（通用输入输出）的配置与应用，定时器/计数器的原理及其在脉冲宽度调制（PWM）、输入捕获等场景中的实现。串行通信接口（UART/USART）的波特率计算、数据帧格式以及异步通信的原理也会被详尽讲解。 第二部分：低级驱动与裸机编程精要 在理解硬件原理后，本部分将引导读者进入真实的裸机编程环境。我们将重点介绍如何使用标准开发工具链（编译器、链接器、调试器），并详细解析启动代码（Startup Code）的作用，包括堆栈初始化、数据段的复制与清零等关键步骤。 寄存器级编程是理解底层控制的关键。本书将通过大量实际代码示例，展示如何直接操作寄存器来配置和驱动各类硬件模块。例如，如何精确控制ADC（模数转换器）的采样率、触发模式和转换结果读取。 内存管理方面，虽然Cortex-M常用于资源受限环境，但理解存储器映射至关重要。我们将讲解堆（Heap）和栈（Stack）在嵌入式程序中的实际布局与使用限制，并讨论如何通过链接脚本（Linker Script）来精确控制程序代码和数据在Flash与RAM中的放置位置，这是解决内存对齐和资源冲突的必要技能。 实时性保证是嵌入式系统的核心挑战。我们将深入探讨系统滴答定时器（SysTick）的配置与应用，利用它来实现精确的软件延时和基本的任务调度框架。本部分强调代码的效率和确定性，所有示例均力求简洁高效。 第三部分：高级外设与数据采集 随着系统复杂度的增加，对数据处理和高级通信的需求也日益增强。本部分将聚焦于更复杂的外设接口和数据处理技术。 SPI（串行外设接口）和I2C（两线总线）作为嵌入式系统中常用的片间通信协议，其主从模式的切换、时序要求和冲突处理机制将被细致剖析。我们将通过实际案例，如连接EEPROM芯片进行非易失性数据存储、或连接温度传感器采集环境数据，来巩固这些知识点。 对于涉及高速数据传输和大量I/O操作的场景，DMA（直接存储器存取）是必不可少的工具。本书将用专门的章节来讲解DMA控制器的结构、传输模式（循环、正常）、数据宽度匹配以及中断反馈机制。掌握DMA可以极大地解放CPU资源，实现高效的数据搬运，例如将ADC采集的数据直接写入RAM缓冲区，而无需CPU干预。 此外，模拟与数字世界接口部分，如PWM的输出控制（用于电机驱动或LED调光）和外部中断的优化配置，也将作为重点进行阐述。 第四部分：实时操作系统（RTOS）的应用与移植 现代复杂嵌入式应用几乎都依赖于实时操作系统来管理并发任务和复杂逻辑。本部分将全面介绍RTOS的基本概念，如任务（Task）、调度策略（抢占式、协作式）、同步与互斥机制（信号量、互斥锁、消息队列）。 我们将以FreeRTOS为例，详细讲解如何将该内核移植到目标Cortex-M平台上。移植过程中的关键步骤，如硬件抽象层（HAL）的实现、时钟节拍的配置、以及上下文切换的底层机制，都将进行深入探讨。 读者将学习如何有效地使用RTOS提供的API来划分应用逻辑、管理资源共享，并处理任务间的通信。错误处理和系统调试技巧，特别是利用RTOS感知工具（如SystemView）来可视化任务行为和分析实时性能瓶颈，也将是本部分的重点内容。我们将通过一个完整的、多任务的工业控制示例来综合运用RTOS的各项功能。 第五部分：系统调试、优化与前沿趋势 本部分面向工程实践的更高要求。我们将介绍嵌入式系统调试的高级技术，特别是利用JTAG/SWD接口配合专业调试工具（如OpenOCD、SEGGER J-Link）进行硬件断点、存储器观察和实时跟踪的技巧。 程序优化是嵌入式开发永恒的主题。我们将探讨代码层面的优化（如循环展开、位运算替代乘除法）以及编译器优化级别的选择。在内存和功耗优化方面，我们将讨论如何使用链接脚本进行代码段的紧凑布局，以及如何利用Cortex-M的低功耗模式（Sleep, Deep Sleep）来延长电池供电系统的续航时间。 最后，本书将对嵌入式领域的前沿趋势进行展望，包括物联网（IoT）中的安全启动机制、OTA（空中升级）的基本流程，以及如何初步接触如CMSIS-NN等针对特定计算任务的库函数，为读者未来的深入学习和项目开发打下坚实的基础。 本书结构严密，理论与实践并重，代码示例丰富且可直接运行于主流的STM32或类似的Cortex-M开发板上。它不仅是一本技术参考手册，更是一份引导工程师迈入专业嵌入式系统开发领域的实践指南。

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说实话，我之前对很多号称“案例教程”的书持怀疑态度，因为很多所谓的案例不过是把书本上的理论知识换了个标签而已，缺乏实际操作的深度和趣味性。但是这本《C语言程序设计案例教程》完全打破了我的预期。案例的选择非常贴近现代计算机应用的需求，比如涉及到小型数据库操作模拟、简单图形界面的构建尝试（尽管是基于字符界面的），这些都极大地激发了我学习的兴趣。例如，书中有一个关于数据加密与解密的案例，它没有直接给出成熟的加密算法，而是从最基础的位操作和异或运算入手，让读者亲手实现一个可逆的转换过程。这种“从零开始”的体验是无价的。它教会了我如何在一个相对封闭的环境中，利用C语言的基础特性去实现复杂的逻辑，而不仅仅是调用现成的工具箱。这种深入骨髓的理解，比单纯学会使用某个库函数要重要得多，它让我的编程内功得到了实质性的提升，不再满足于浅尝辄止的表面功夫。

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这本《C语言程序设计案例教程》真是让我大开眼界，尤其是对于我这种理论知识储备尚可，但实战经验严重不足的初学者来说，简直是雪中送炭。书中的案例设计得非常巧妙，每一个小项目都不是那种孤立无援的片段，而是紧密围绕着一个实际应用场景展开。比如，我记得有一个关于文件操作的小练习，它不仅仅是教你如何读写文件，而是模拟了一个简易的图书管理系统，涉及到结构体、指针以及文件流的综合运用。作者在讲解每一步骤时，都非常细致地剖析了背后的逻辑和C语言特性的运用，让我深刻理解了代码是如何一步步构建起一个可用功能的。更让我赞赏的是，它没有过度地依赖现成的库函数，而是鼓励读者去理解底层是如何工作的，这对于培养扎实的编程思维至关重要。读完这个案例后，我感觉自己对C语言中那些曾经让我头疼的内存管理和复杂数据结构的理解，都有了一个质的飞跃。它成功地搭建了一座理论与实践之间的桥梁，让我不再是只会背诵语法规则的“死记硬背者”，而开始真正懂得如何用C语言去“解决问题”。

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我花了很长时间寻找一本真正能让我从“入门”迈向“精通”的C语言教材，市面上很多书要么过于偏学术，充斥着晦涩的术语和不贴近实际的算法分析，要么就是过于基础，学完后感觉什么都会一点，但真要独立写点东西却无从下手。然而，这本《C语言程序设计案例教程》找到了一个极佳的平衡点。它的叙述风格非常“接地气”，仿佛是经验丰富的前辈在手把手地教导，语调轻松但内容严谨。它没有回避C语言的一些难点，比如指针运算的复杂性，但它总是能用一个生动具体的例子来“驯服”这些难点。我特别喜欢它在处理面向过程编程思想时所采用的模块化思路，每一个案例都清晰地展示了如何拆分任务、定义接口和实现功能。这种结构化的学习方式，极大地提高了我的代码组织能力。读完一个章节后，我总能带着清晰的脉络去思考下一个更复杂的项目，而不是被零散的知识点淹没。这本书不仅仅是关于C语言语法，它更是一本关于“如何像一个合格的C程序员一样思考”的教程。

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我不得不提一下这本书在处理错误和调试方面的用心良苦。很多教材在展示“成功”的代码时显得光鲜亮丽，但对编程过程中必然会遇到的“失败”和“错误”却轻描淡写。然而，这本《C语言程序设计案例教程》非常诚恳地在每个案例的最后，都设置了一个专门的“常见错误与调试技巧”部分。它不仅指出了在实现该案例时最容易犯的错误类型（比如循环边界条件错误、指针未初始化等），还详细展示了如何利用调试工具（如GDB）来追踪和定位这些错误。这种“授人以渔”的教育方式对我帮助极大。因为在实际工作中，解决Bug的时间往往远超编写代码的时间。通过学习这些调试技巧，我学会了如何系统性地排除故障，而不是盲目地修改代码碰运气。这使得我对自己独立完成项目时的信心大大增强，这本书真的把编程过程中最真实、最考验人耐心的部分，也系统地教授给了我们。

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作为一名在职提升的工程师，我时间有限，最看重的是学习效率和知识的即时转化率。这本教程的排版和逻辑组织极大地满足了我的需求。它的每一章都以“问题引入——核心技术讲解——案例实现——总结与扩展”的清晰路径展开，使得学习过程非常高效。我无需在不同章节间反复跳跃查找上下文。特别是书中对标准库函数如`stdio.h`和`stdlib.h`的讲解，不是机械地罗列函数原型，而是放在具体的案例情境中，分析在什么情况下应该优先选择哪个函数，以及不当使用可能带来的后果。这种情景化的教学方式，使得知识点极易被吸收和记忆。我发现自己学习过程中遇到的很多疑惑，比如缓冲区溢出、动态内存分配的陷阱等，都在特定的案例分析中得到了完美的解答。这种注重实效、以解决实际问题为导向的编排，充分体现了作者对目标读者群体的深刻洞察。

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