具体描述
本书是《单片微型计算机原理及接口技术》的配套教材。本书以MCS-51单片机为例，详细介绍了如何设计和调试MCS-51汇编语言程序。全书共分三部分。第一部分是MCS-51单片机上机指导。第二部分是MCS-51单片机实例，其中包含有3个单片机应用开发实例。第三部分是习题与参考答案。读者在第一部分实验的指导下上机做实验，最后通过设计一到两个具体的单片机应用系统来掌握单片机的开发技术。第三部分的练习有利于读者巩固所学习的单片机知识。
本书由浅入深、循序渐进、前后呼应、通俗易懂、图文茂、内容丰富，可以使读者轻松地掌握使用开发机进行在线仿真的方法，学会如何开发单片机应用系统。
本书可作为高等学校单片机原理与应用课程的配套教材，也可作为高职高专的单片机的配套教材，是初学才和自学者的好帮手，同时对于从事单片机开发的技术人员也具有一定的参考价值。
现代嵌入式系统设计与应用 本书聚焦于当前嵌入式系统领域的前沿技术、核心理论与实践操作，旨在为读者构建一个全面、深入且紧密结合工业实际的知识体系。 本书并非关于单片微型计算机的原理与接口技术实验指导，而是全面转向更广阔、更复杂的现代嵌入式系统设计流程、软件架构和专业应用领域。 全书分为五大部分，共十五章，内容涵盖了从硬件基础选型到复杂软件栈开发的完整链条，强调实时性、低功耗、网络连接和系统安全等现代嵌入式系统至关重要的指标。 --- 第一部分：现代嵌入式系统概述与选型策略（第1章 - 第3章） 本部分旨在为读者打下坚实的理论基础，区分传统的微控制器（MCU）范畴与现代嵌入式系统的复杂性。 第1章：嵌入式系统设计范式的演进 本章首先探讨了从早期的8位/16位微控制器到当前主流的32位及64位高性能嵌入式处理器（如ARM Cortex-A/R/M系列）的设计哲学转变。重点分析了“系统级芯片”（SoC）的概念，以及嵌入式系统在物联网（IoT）、工业控制（IIoT）和汽车电子等领域中扮演角色的重要性。讨论了功耗预算、实时性要求和成本约束是如何影响系统架构选择的。 第2章：高性能嵌入式处理器架构解析 详细剖析了主流的ARM Cortex-M系列（侧重实时性）与Cortex-A系列（侧重应用处理）的核心架构。内容包括流水线设计、指令集架构（ISA）的区别、内存管理单元（MMU）与内存保护单元（MPU）的功能与配置。特别关注了片上系统（SoC）中关键模块的集成，如高级中断控制器（GIC）、缓存一致性机制和总线结构（如AMBA AXI/AHB）。 第3章：传感器、驱动与异构计算选型 本章侧重于系统外部接口与异构计算单元的集成。深入探讨了各类主流传感器（MEMS、光学、生物识别）的数据接口标准（I2C、SPI、UART、CAN FD、Ethernet）。同时，详细分析了GPU、FPGA或专用加速器（如NPU/DSP）在加速特定计算任务中的作用，以及如何设计高效的数据通路来实现异构计算的性能优势。 --- 第二部分：底层驱动与操作系统移植（第4章 - 第7章） 本部分是系统实现的核心，关注如何使硬件资源得以充分利用，并建立稳定可靠的运行环境。 第4章：裸机编程与设备寄存器操作 回归底层，通过高级汇编和C语言，详细讲解直接操作特定处理器外设寄存器的方法。内容涵盖时钟树配置、GPIO初始化、定时器（Timer）的精确控制，以及中断服务程序（ISR）的编写与嵌套管理，强调中断延迟和抖动（Jitter）的控制。 第5章：实时操作系统（RTOS）原理与选型 重点介绍μC/OS-III, FreeRTOS, 或Zephyr等主流RTOS的内核机制。深入讲解任务调度算法（抢占式、时间片轮转）、信号量、互斥锁、消息队列、事件标志组等同步与通信机制。同时，对不同RTOS的内核占用、上下文切换开销进行量化对比。 第6章：Linux内核在嵌入式系统中的裁剪与移植 针对需要复杂应用层和网络栈的系统，本书详细介绍了嵌入式Linux的引导过程（Bootloader，如U-Boot）、内核配置（Kconfig）和设备树（Device Tree, DTB）的编写与解析。实践部分侧重于为新硬件平台添加必要的驱动支持。 第7章：设备驱动模型与内核模块开发 系统讲解Linux下字符设备、块设备和网络设备的驱动框架。重点剖析了内核模块（LKM）的生命周期管理、并发控制（自旋锁、互斥体）以及用户空间与内核空间之间安全高效的数据交换机制（如ioctl、mmap）。 --- 第三部分：嵌入式网络与通信协议栈（第8章 - 第10章） 随着万物互联的推进，网络能力成为现代嵌入式系统的标配。本部分专注于网络通信的实现与优化。 第8章：TCP/IP协议栈的嵌入式实现与优化 深入解析嵌入式系统中轻量级TCP/IP协议栈（如LwIP或内核内置栈）的工作原理。包括ARP、IP、UDP和TCP的报文封装与解析过程。讨论了网络性能调优，如TCP窗口大小调整、拥塞控制策略在资源受限设备上的应用。 第9章：物联网连接技术与安全传输 探讨面向IoT的通信协议，如MQTT、CoAP和WebSocket。详细分析了TLS/SSL在嵌入式设备上的资源消耗和优化方法，包括使用硬件加密加速器（Crypto Engine）来提升加密/解密效率。 第10章：无线通信与低功耗广域网（LPWAN） 关注IEEE 802.11（Wi-Fi）和802.15.4（Zigbee/Thread）的协议栈差异及其在嵌入式环境中的驱动和维护。对LoRaWAN和NB-IoT等LPWAN技术进行深入分析，探讨其在电池供电设备上的功耗管理策略。 --- 第四部分：高级软件工程与系统调试（第11章 - 第13章） 本部分超越了代码实现层面，关注如何构建可维护、可测试和高性能的嵌入式软件工程体系。 第11章：嵌入式软件架构设计模式 介绍适用于嵌入式环境的设计模式，如状态机模式、生产者-消费者模式（Producer-Consumer）以及分层架构。重点讨论如何使用面向对象思想（C++或现代C）来管理复杂系统，并避免引入过多运行时开销。 第12章：构建系统与自动化测试 详细介绍现代嵌入式项目中的构建工具链，如CMake/Meson，及其与交叉编译环境的集成。深入讲解持续集成/持续部署（CI/CD）在嵌入式开发中的应用，包括基于QEMU或硬件在环（HIL）的自动化单元测试和集成测试框架。 第13章：系统级调试与性能分析 探讨高效的调试技术，包括JTAG/SWD接口的高级功能（断点、观察点、数据追踪）。介绍使用逻辑分析仪和示波器进行硬件级故障排查的方法。核心内容在于使用性能分析工具（如Perf或Tracealyzer）来识别并解决任务调度延迟、缓存未命中和总线冲突等性能瓶颈。 --- 第五部分：安全与容错机制（第14章 - 第15章） 安全性和可靠性是决定现代嵌入式产品能否成功部署的关键因素。 第14章：嵌入式系统安全基础与防护 本章系统性地介绍嵌入式设备面临的威胁，包括侧信道攻击、固件篡改和运行时漏洞。讲解如何利用硬件信任根（Root of Trust, RoT）、安全启动（Secure Boot）机制和加密存储来保护知识产权和数据安全。 第15章：故障检测、恢复与看门狗管理 研究系统级的容错技术。详细分析软件和硬件看门狗（Watchdog Timer）的应用，区分其在不同调度环境下的配置要点。讨论错误校验码（ECC）、冗余设计（如双核锁定步进）以及系统在检测到关键故障后如何安全地进入恢复模式，确保系统的高可用性。 --- 适用对象： 本书适合具备C/C++基础知识的电子工程、计算机科学、自动化专业的高年级本科生、研究生，以及希望深入理解现代嵌入式系统（尤其是基于高性能ARM SoC和Linux平台）的专业工程师。本书的实训环节侧重于使用先进的调试工具和主流的RTOS/Linux环境进行系统级的设计与验证。
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