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出版者:第1版 (2004年1月1日)

作者:张凯

出品人:

页数:278

译者:

出版时间:2004-6

价格:25.0

装帧:平装

isbn号码:9787118034462

丛书系列:

图书标签:

• LabVIEW
• 虚拟仪器
• 仪器仪表
• 工程设计
• 软件开发
• 数据采集
• 自动化测试
• 测量技术
• 图形化编程
• 实验系统

《现代嵌入式系统设计与实践》 图书简介 随着信息技术的飞速发展，嵌入式系统已渗透到我们生活的方方面面，从智能手机、物联网设备到工业自动化控制系统，其核心地位日益凸显。然而，要成功设计和实现高性能、低功耗、高可靠性的嵌入式系统，绝非易事。这需要扎实的理论基础、精湛的软硬件协同设计能力，以及对前沿技术的深刻理解。《现代嵌入式系统设计与实践》正是为满足这一需求而编写的深度技术专著。 本书并非停留在基础概念的简单罗列，而是致力于构建一个从系统级思考到具体实现的全景式知识框架。它面向电子工程、计算机科学、自动化等相关专业的学生、初/中级嵌入式工程师，以及寻求系统性提升的资深开发人员。 第一部分：嵌入式系统基础与架构解析 (奠定基石) 本部分着重于构建对现代嵌入式系统的宏观认知和底层理解。 第一章：嵌入式系统的演进与核心概念 本章深入剖析了嵌入式系统的历史沿革，从早期的简单控制器到如今复杂的异构多核系统。详细阐述了嵌入式系统与通用计算系统的本质区别，重点讨论了实时性（Hard Real-time vs. Soft Real-time）、功耗约束、资源受限性以及高可靠性等关键约束条件。通过对典型应用领域（如医疗电子、汽车电子、航空航天）的案例分析，揭示不同领域对系统设计目标的不同侧重。 第二章：处理器核心选型与架构剖析 深入解析当前主流的嵌入式处理器架构，包括但不限于高性能的Cortex-A系列、实时性强的Cortex-R系列、超低功耗的Cortex-M系列，以及RISC-V开放指令集架构的崛起与应用潜力。详细阐述了流水线技术、缓存一致性协议（Cache Coherence）、内存管理单元（MMU/MPU）的工作原理及其对系统性能和安全性的影响。此外，对专用处理器（DSP、FPGA等）在特定任务中的集成策略进行了探讨。 第三章：存储器技术与系统总线 存储系统是嵌入式系统的生命线。本章细致讲解了从SRAM、DRAM（如DDR3/4/LPDDR）到非易失性存储器（NOR/NAND Flash、eMMC、SPI Flash）的特性、接口标准和寿命管理。重点解析了片上总线结构（如AHB、AXI、APB）的层次化设计理念，以及如何通过总线仲裁和DMA（直接内存访问）机制来优化数据吞吐量和CPU利用率。 第二部分：实时操作系统（RTOS）的深入应用 (软件中枢) 实时操作系统是现代复杂嵌入式系统的核心软件支撑。本部分将聚焦于RTOS的内部机制及其高效编程技巧。 第四章：RTOS内核机制与任务管理 全面剖析主流RTOS（如FreeRTOS、VxWorks、QNX等）的内部结构。详细讲解任务（Task）的创建、状态切换、上下文保存与恢复机制。深入探讨不同的调度算法（如固定优先级、轮转、优先级继承/天花板协议），以及如何根据应用需求选择或定制合适的调度策略以确保关键任务的确定性。 第五章：进程间通信（IPC）与同步机制 高效可靠的IPC是多任务协同工作的基础。本章详述了信号量（Semaphore）、互斥锁（Mutex）、消息队列（Message Queue）、事件标志组（Event Flags）以及管道（Pipe）的工作原理、适用场景和潜在陷阱（如死锁、优先级反转）。特别强调了在资源竞争激烈环境下的无锁编程（Lock-Free Programming）技术探讨。 第六章：内存管理与系统稳定性 RTOS中的内存管理常常是系统崩溃的导火索。本章对比了静态内存池、动态内存分配（如Memcpy、Sbrk的改进版本）的优缺点。深入分析内存碎片化问题，并提供了一系列针对性强的内存池设计与优化方法，旨在提升系统的长期运行稳定性和资源利用率。 第三部分：系统集成与硬件接口设计 (软硬融合) 真正的嵌入式设计在于软硬件的无缝集成。本部分侧重于驱动程序开发、外设交互和低功耗设计。 第七章：设备驱动程序开发范例 以主流微控制器为例，系统性地讲解如何编写健壮的设备驱动程序。内容涵盖通用异步收发器（UART）、串行外设接口（SPI）、I²C总线驱动的实现。特别关注中断服务程序（ISR）的设计规范、原子操作的运用，以及如何将驱动程序抽象化，以适应不同的硬件平台移植。 第八章：模数转换（ADC/DAC）与信号调理 在涉及传感器和物理量采集的系统中，精确的A/D转换至关重要。本章深入讲解了SAR、Sigma-Delta等ADC架构的原理、量化误差、采样定理的应用。同时，探讨了噪声抑制技术、硬件滤波器的设计，以及如何利用DMA配合ADC进行高速连续数据采集。 第九章：低功耗设计与电源管理策略 在移动和物联网设备中，续航能力是决定产品成败的关键因素。本章全面介绍系统级的低功耗设计方法论，包括CPU的动态电压与频率调节（DVFS）、各种睡眠模式（Sleep Modes）的切换时序、外设的时钟门控技术。探讨了如何通过软件精确控制电源域的开关，实现毫瓦级乃至微瓦级的功耗目标。 第四部分：网络通信与高级主题 (面向未来) 本部分拓展了嵌入式系统在现代网络化环境下的能力边界。 第十章：嵌入式TCP/IP协议栈与网络应用 详细解析嵌入式设备如何接入互联网。涵盖LwIP等轻量级TCP/IP协议栈的移植、配置与优化。重点讨论MQTT、CoAP等物联网关键通信协议在资源受限设备上的高效实现，以及TLS/SSL在嵌入式安全通信中的加速方案。 第十一章：嵌入式系统中的安全与防护 随着安全威胁的增加，嵌入式安全已成为不可回避的话题。本章介绍安全启动（Secure Boot）、固件加密、内存保护单元（MPU）的应用，以及硬件安全模块（如TrustZone）的基础概念。探讨了常见的攻击面（如侧信道攻击、软件漏洞）及相应的防御措施。 第十二章：系统调试、测试与性能分析 高效的调试是项目进度的保障。本章讲解了JTAG/SWD调试接口的工作流程，并详细阐述了逻辑分析仪、示波器在定位时序问题和电源纹波中的应用。重点介绍如何使用性能分析工具（如Profiler）来识别代码热点、内存泄漏，并对系统延迟进行精确测量与优化。 总结 《现代嵌入式系统设计与实践》通过理论推导、架构剖析和大量的工程实践案例，旨在培养读者“知其然，更知其所以然”的系统设计思维。本书强调理论与实践的紧密结合，帮助工程师掌握构建下一代高性能、高可靠性嵌入式产品的核心技术能力。读者将不再满足于调用现有库函数，而是能够深入理解系统底层，从而设计出更具竞争力、更贴合特定硬件特性的优化解决方案。

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