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单片机外围器件实用手册：输入通道器件分册，ISBN：9787810127707，作者：纪宗南编著
现代嵌入式系统设计与实践 作者： 张伟, 李明 出版社： 电子工业出版社 ISBN： 978-7-121-XXXX-X 定价： 128.00 元 书籍信息： 本书聚焦于当前嵌入式系统设计的前沿技术与实用方法，旨在为电子工程、计算机科学相关领域的工程师、研究人员及高年级学生提供一本系统性、操作性强的参考资料。全书内容紧密围绕现代嵌入式系统的核心要素展开，内容涵盖了从硬件选型、底层驱动开发到复杂应用软件架构的完整流程，强调理论与实践的紧密结合。 内容概要： 本书共分为八个主要部分，近千页的篇幅，对嵌入式系统设计的各个环节进行了深入剖析： 第一部分：嵌入式系统基础与硬件选型（约 180 页） 本部分首先奠定了扎实的理论基础。详细介绍了嵌入式系统的基本概念、发展历程与未来趋势，重点剖析了嵌入式处理器（如Cortex-M/A系列、RISC-V架构）的架构特点、流水线设计、中断机制与内存管理单元（MMU/MPU）的工作原理。 在硬件选型方面，本书并未局限于单一微控制器家族，而是提供了系统的选型评估标准。内容包括： 1. 处理器选型指南： 基于功耗、实时性要求、性能指标（DMIPS/MHz、CoreMark）对主流微控制器家族（如STM32、ESP32、i.MX RT系列）进行对比分析。 2. 存储器技术深度解析： 详细阐述了SRAM、Flash（NOR/NAND/eMMC）的读写时序、寿命管理及纠错机制（ECC）。 3. 电源管理与稳定性设计： 探讨了LDO、DC-DC转换器的选择、布局技巧、去耦电容的计算与EMC/EMI基础知识在电源设计中的应用。 4. 高速信号完整性基础： 对PCB设计中阻抗匹配、串扰抑制、地平面设计等关键概念进行了理论阐述与实践建议。 第二部分：实时操作系统（RTOS）精要（约 250 页） 实时操作系统是现代嵌入式系统实现复杂任务调度的核心。本部分以FreeRTOS和RT-Thread为主要案例，系统讲解了RTOS的内核机制。 内核结构与调度算法： 深入分析了任务控制块（TCB）、上下文切换过程，以及固定优先级抢占式、时间片轮转、协作式等调度策略的实现细节与适用场景。 任务间通信与同步机制： 详尽介绍了信号量（Binary/Counting Semaphore）、互斥锁（Mutex）、消息队列（Message Queue）、事件组（Event Group）的内部数据结构、原子操作和死锁预防措施。 内存管理： 对RTOS中的动态内存分配算法（如堆管理、内存池）进行了详细的性能分析和陷阱提示，例如内存碎片化问题及解决方案。 中断与临界区处理： 讨论了中断服务程序（ISR）的设计原则、延迟处理、以及如何安全地在ISR与任务间传递数据，保证系统的确定性。 第三部分：底层驱动开发与硬件抽象层（HAL）（约 160 页） 本部分强调如何高效、可靠地编写与硬件交互的代码。 1. 寄存器级编程与外设访问： 提供了访问和配置通用异步收发器（UART）、通用定时器（Timer）的精确寄存器操作示例，并对比了位域操作的效率。 2. 中断驱动与轮询机制的平衡： 探讨了在不同场景下（如数据采集、控制输出）选择中断驱动还是DMA（直接内存访问）模式的最佳实践。 3. DMA控制器深度应用： 详细讲解了单次传输、循环传输、半传输中断等DMA模式的配置，并结合实际应用（如音频数据流、高速ADC采样）给出完整代码框架。 4. 总线协议详解： 侧重于SPI、I2C、CAN等片上总线的通信时序、错误检测与仲裁机制的软件实现。 第四部分：嵌入式文件系统与数据持久化（约 140 页） 对于需要存储日志、配置参数或应用数据的系统，文件系统至关重要。 闪存介质特性分析： 讨论了NAND/eMMC的磨损均衡（Wear Leveling）、坏块管理（Bad Block Management）的底层原理。 嵌入式文件系统选型与集成： 重点对比了FATFS、LittleFS、YAFFS等主流嵌入式文件系统的结构、性能开销与资源占用，并提供了在RTOS上移植与优化的步骤。 日志管理策略： 介绍了循环日志（Ring Buffer Logging）与非易失性存储日志的设计模式，确保系统在意外断电后的数据一致性。 第五部分：网络通信协议栈集成（约 150 页） 在物联网（IoT）时代，嵌入式设备的联网能力是核心竞争力。 TCP/IP协议栈移植与优化： 以LwIP协议栈为例，讲解其内存管理（Pbuf）、Socket API的使用、以及与不同硬件网络接口（如MAC/PHY）的驱动集成。 低功耗广域网（LPWAN）接入： 探讨了MQTT、CoAP等轻量级应用层协议的特点、报文结构、心跳机制与QoS等级，以及如何在资源受限设备上实现高效连接。 安全连接： 详细介绍了TLS/SSL握手过程在嵌入式设备上的资源消耗，以及使用如mbedTLS等轻量级加密库进行安全通信的方法。 第六部分：固件空中升级（OTA）技术（约 120 页） OTA是确保设备长期稳定运行的关键技术。 OTA架构设计： 详细分析了A/B分区、差分更新（Delta Update）和单区更新的三种主流OTA架构的优缺点、实现复杂度与回滚机制。 安全验证与签名机制： 讨论了如何使用非对称加密算法（如RSA）对固件包进行签名，并在设备端进行校验，防止恶意固件的植入。 差分算法应用： 简要介绍了Bsdiff等差分工具的原理，以及如何在嵌入式端高效地应用补丁文件。 第七部分：调试、测试与性能分析（约 110 页） 高质量的嵌入式软件依赖于完善的调试和测试流程。 高级调试技术： 深入讲解JTAG/SWD接口的工作原理，如何利用断点（硬件/软件）、观察点（Watchpoint）、以及追踪缓冲（Trace Buffer）进行复杂问题的定位。 内存泄漏与栈溢出检测： 介绍了在RTOS环境下，利用内存钩子（Hook）函数或内存分析工具追踪内存泄漏的具体方法。 性能度量： 讲解了如何使用逻辑分析仪、示波器配合代码级性能分析工具（如Profiling）来量化系统响应时间、CPU负载和功耗曲线。 自动化测试框架： 介绍了单元测试（如Ceptest）在嵌入式代码中的应用，以及如何搭建集成测试平台。 第八部分：功耗优化与低功耗设计（约 100 页） 本书最后一部分专注于嵌入式设备在电池供电场景下的生命周期管理。 MCU功耗模式精讲： 详细分析了休眠（Sleep）、深度休眠（Deep Sleep）、待机（Standby）等模式的唤醒源配置、寄存器保存策略与功耗曲线分析。 时钟门控与电源门控： 讨论了如何通过动态管理外设的时钟和电源域来最小化不必要的能耗。 实时功耗测量与分析： 指导读者如何使用高精度电流表或专用功耗分析工具，结合代码执行路径，进行精确的能耗建模和优化。 目标读者： 本书适合具备C/C++语言基础，对数字电路和计算机体系结构有基本了解的工程师、软件开发者、嵌入式系统项目经理以及相关专业的本科高年级学生和研究生。它不仅提供了技术实现路径，更侧重于在资源受限和实时性要求高的环境下，进行系统级优化和可靠性设计的工程思维培养。
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