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出版者:科学出版社

作者:陈彦许

出品人:

页数:222

译者:

出版时间:2005-2-1

价格:20.00元

装帧:平装(无盘)

isbn号码:9787030146557

丛书系列:

图书标签:

• C语言
• 程序设计
• 实训
• 教程
• 编程入门
• 计算机基础
• 实践教学
• 代码示例
• 算法
• 数据结构

好的，这是一本名为《现代嵌入式系统软件开发实践》的图书简介，内容聚焦于嵌入式系统的设计、编程和调试，完全不涉及《C程序设计实训教程》中的基础C语言教学内容。 --- 现代嵌入式系统软件开发实践 专著导言：迎接后摩尔时代的系统挑战 在计算技术飞速发展的今天，嵌入式系统已不再是孤立的、功能单一的微控制器集合。它们是连接物理世界与数字世界的桥梁，渗透于智能制造、自动驾驶、物联网（IoT）边缘计算乃至高性能医疗设备的核心。本书《现代嵌入式系统软件开发实践》正是在这一背景下应运而生，旨在为资深工程师和高年级学生提供一套前沿、深入且高度实用的系统软件开发框架与方法论。 本书摒弃了对基础语法和数据结构等通用计算理论的冗余介绍，直接切入现代嵌入式系统复杂性管理的内核。我们的核心关注点在于资源受限环境下的高性能、高可靠性和实时性保障。我们将深入探讨操作系统选型、驱动程序设计范式、功耗优化策略，以及面向安全性的代码实践。 第一篇：底层硬件抽象与驱动架构 本篇聚焦于如何有效地与裸机硬件交互，建立稳健的软件与硬件接口层。 第一章：RISC-V 架构深入解析与工具链定制 我们选择当前新兴且极具影响力的精简指令集计算机（RISC-V）作为核心研究对象。本章将详细剖析其特权级（Machine, Supervisor, User 模式）、中断与异常处理机制，以及向量扩展（Vector Extension）在特定计算任务中的应用潜力。重点在于教授如何针对特定目标硬件配置和交叉编译环境（如使用 GCC/LLVM 配合 Binutils）进行优化，确保生成代码的高度可预测性。我们将讨论链接脚本的精细化控制，以及如何利用静态分析工具确保代码与内存布局的精确匹配。 第二章：内存管理单元（MMU/MPU）的实践应用 现代嵌入式系统，特别是运行轻量级操作系统的设备，必须精通内存保护单元（MPU）和内存管理单元（MMU）的配置。本章将从硬件寄存器层面讲解如何配置页表、设置访问权限和TLB（Translation Lookaside Buffer）策略。我们将对比使用 MPU 进行任务隔离和使用 MMU 进行虚拟内存管理的差异，并通过实例演示如何通过内存保护机制防御常见的缓冲区溢出和越权访问。这是构建安全可靠系统的基石。 第三章：高级中断处理与时序分析 实时性是嵌入式系统的生命线。本章不满足于简单的中断使能/禁用，而是深入研究中断延迟的量化分析。我们将讨论多级中断控制器（如PLIC/CLIC）的流水线效应，以及如何利用硬件调试工具（如JTAG/SWD探针）进行纳秒级的时序测量。重点内容包括：如何设计最小化临界区、使用原子操作而非禁用中断来保护共享资源，以及实现基于硬件加速的快速中断响应路径（ISR）。 第四章：外设驱动的模块化与接口标准化 我们将探讨驱动程序的设计模式，着重于面向对象的驱动抽象层（HAL）的设计。这包括如何设计一套统一的、可移植的API接口，以屏蔽底层寄存器操作的细节。通过对 SPI、I2C、高速 ADC/DAC 等复杂接口的分析，我们将演示如何实现非阻塞（Polling-free）的驱动框架，利用 DMA（直接内存访问）最大化数据吞吐量，同时最小化 CPU 干预，从而实现高效率的系统吞吐。 第二篇：实时操作系统（RTOS）的深度定制与优化 本篇将深入探讨如何在资源受限环境中部署和调优成熟的实时操作系统内核。 第五章：RTOS 内核机制的内核级洞察 我们以 FreeRTOS 或 RT-Thread 等主流内核为例，解剖任务调度器、上下文切换的汇编实现细节。读者将学习如何修改或扩展内核的调度策略，例如实现基于优先级的继承（Priority Inheritance）或最大包容性（Maximal Inclusiveness）的互斥锁机制，以解决优先级反转问题。此外，还将详细分析内核中内存池（Heap Management）的算法缺陷及其优化方案。 第六章：系统性能的量化与瓶颈诊断 单纯的“跑起来”是不够的，本章专注于嵌入式系统性能工程。我们将介绍使用如 Percepio Tracealyzer 或自定义性能计数器（PMC）来收集任务执行轨迹、系统调用延迟和功耗快照。重点在于构建性能基线，识别并消除周期性抖动（Jitter），并使用火焰图（Flame Graphs）技术分析系统调用堆栈的热点区域。 第七章：通信协议栈的资源高效实现 对于网络化嵌入式设备，TCP/IP 协议栈是性能消耗大户。本章将指导读者如何选择和裁剪轻量级网络栈（如 lwIP），并讨论在资源紧张情况下，如何利用硬件加速器（如硬件加密模块）卸载 SSL/TLS 握手计算。我们还将探讨基于零拷贝（Zero-Copy）的环形缓冲区设计，以优化数据包在网络接口和应用层之间的高速传输。 第八章：可靠性工程：看门狗、故障注入与故障恢复 软件的可靠性必须建立在可预测的错误处理之上。本章详细阐述硬件看门狗（Watchdog Timer）的正确应用，区分软件复位与硬复位，以及如何实现多级看门狗机制。我们将引入故障注入测试（Fault Injection Testing）的概念，探讨如何主动模拟内存位翻转、总线错误和定时器溢出，并设计健壮的错误恢复代码路径，确保系统在非预期事件发生后能自动或安全地恢复运行。 第三篇：面向未来的嵌入式系统安全与OTA 在万物互联的背景下，安全和生命周期管理至关重要。 第九章：安全启动链与固件完整性验证 本章聚焦于设备启动过程中的安全保障。我们将详细讲解安全启动（Secure Boot）的原理，包括使用非对称加密技术（如ECDSA）验证引导加载程序（Bootloader）的数字签名。讨论如何安全地存储私钥（例如使用 OTP 或可信执行环境 TEE），并实现固件的运行时哈希校验，防止恶意代码注入。 第十章：空中下载（OTA）更新的安全与原子性 远程更新是现代设备生命周期管理的核心。本章将设计一个原子性、防回滚的OTA更新方案。重点在于分区布局（如 A/B 分区策略），确保在更新失败或供电中断时，设备始终能回滚到最后一个稳定版本。此外，我们将探讨使用差分更新（Delta Updates）技术来减少带宽消耗，并讲解如何使用加密通道安全传输更新包。 结语：构建下一代智能边缘 《现代嵌入式系统软件开发实践》旨在培养工程师的“系统思维”——不仅要会写代码，更要理解代码在特定硬件和时序约束下的实际表现。本书提供的知识体系，是驾驭高复杂度、高要求嵌入式项目，迈向下一代智能边缘计算设备开发的必备指南。 --- 目标读者：具有一定微控制器基础，希望深入理解RTOS内核、驱动架构、实时性能分析及系统安全实践的嵌入式软件工程师、系统架构师以及相关专业的高年级本科生和研究生。

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