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出版者:高等教育出版社

作者:吕景泉

出品人:

页数:213

译者:

出版时间:2001-8

价格:17.60元

装帧:

isbn号码:9787040181036

丛书系列:

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嵌入式系统设计与实践 内容简介： 本书旨在为读者提供一个全面、深入的嵌入式系统设计与实践的指南。在信息技术飞速发展的今天，嵌入式系统已渗透到我们日常生活的方方面面，从智能手机、汽车电子到工业控制、物联网设备，其重要性不言而喻。本书系统地梳理了嵌入式系统的核心概念、关键技术以及工程实践中的挑战与解决方案，力求帮助读者构建扎实的理论基础，并提升实际动手能力。 第一部分：嵌入式系统基础理论 第一章：嵌入式系统概述 本章首先界定嵌入式系统的概念、特性及其在现代科技中的定位。我们将探讨嵌入式系统的基本构成要素，包括微处理器/微控制器、存储器、输入/输出接口以及软件层。通过分析典型的嵌入式系统应用案例，如嵌入式Web服务器、数据采集终端和消费电子产品，帮助读者建立对该领域的宏观认识。同时，本章还将对比分析不同类型的嵌入式处理器架构，如CISC与RISC的差异，以及冯·诺依曼结构与哈佛结构的特点，为后续深入学习硬件选型打下基础。 第二章：微控制器体系结构深入 本章将聚焦于嵌入式系统的心脏——微控制器（MCU）。我们将详细剖析主流的MCU内核架构，例如ARM Cortex-M系列。内容涵盖寄存器组、流水线技术、中断处理机制以及特权级别。重点讲解存储体系，包括Flash存储器、SRAM和EEPROM的工作原理及其在嵌入式软件部署中的应用。此外，本章还会介绍时钟系统、复位电路的设计考量，以及功耗管理的基本策略，这对移动和电池供电设备至关重要。 第三章：片上总线与接口技术 现代嵌入式系统通常需要高速、可靠的数据传输通道。本章将深入讲解片上总线的标准与实现，如AHB（Advanced High-performance Bus）和APB（Advanced Peripheral Bus）在SoC中的作用。我们详细探讨常用外部接口技术，包括串行通信（UART, SPI, I2C）的协议细节、时序要求和驱动编程。对于需要高速数据交换的应用，本章还会涉及并行总线（如SDRAM接口）的原理和初始化流程。 第四章：实时操作系统（RTOS）原理与应用 实时性是许多嵌入式应用的核心要求。本章全面介绍实时操作系统的基本概念，如任务调度算法（固定优先级、轮转、优先级继承）、上下文切换、同步与互斥机制（信号量、互斥锁、消息队列）。我们将以FreeRTOS或类似的轻量级RTOS为例，讲解任务的创建、状态转换和优先级反转问题的应对策略。通过实际代码示例，演示如何利用RTOS实现复杂任务间的可靠协作。 第二部分：嵌入式软件开发与工具链 第五章：嵌入式C语言编程精要 C语言是嵌入式开发的主流语言。本章强调C语言在资源受限环境下的特殊应用。内容包括位操作、指针算术、内存布局（栈、堆、数据段）的精确控制。重点讲解如何使用`volatile`关键字处理硬件寄存器访问，以及如何编写高效、无副作用的内联汇编代码以优化性能。此外，本章还会涵盖结构体对齐与填充对内存效率的影响。 第六章：编译、链接与调试 一个完整的嵌入式软件流程离不开强大的工具链。本章详细解析交叉编译器的使用方法，从源代码到可执行文件的完整编译过程。重点讲解链接脚本（Linker Script）的作用，如何定义内存分区、代码和数据段的映射，这是嵌入式系统初始化不可或缺的一环。在调试方面，本章介绍JTAG/SWD接口的工作原理，以及使用GDB等调试器进行硬件级调试（断点设置、内存查看、寄存器观察）的实践技巧。 第七章：设备驱动程序设计 驱动程序是连接硬件与上层软件的桥梁。本章系统介绍通用硬件驱动的设计模式。我们将以通用定时器、中断控制器（NVIC/GIC）和DMA控制器为例，阐述如何编写与硬件寄存器直接交互的驱动代码。内容涵盖中断服务程序（ISR）的编写规范、延迟敏感操作的处理，以及DMA传输的配置与同步机制，确保数据高效、无CPU干预地传输。 第八章：嵌入式系统启动流程分析 理解系统如何从“加电”到“用户程序运行”的过程至关重要。本章将详细剖析一个典型的嵌入式系统启动序列：从芯片上电复位（POR）开始，引导加载程序（Bootloader）的初始化工作，包括内存控制器配置、时钟树设置、外部Flash的加载，直至最终跳转到操作系统内核或裸机应用程序的入口点。本章将分析不同启动模式（如从Flash启动、从RAM运行）的实现差异。 第三部分：高级主题与系统集成 第九章：嵌入式网络通信协议栈 随着物联网的兴起，嵌入式设备联网能力成为标配。本章侧重于TCP/IP协议栈在嵌入式环境下的实现与优化。内容包括LwIP等轻量级协议栈的移植与配置，Socket编程在嵌入式应用中的实践。此外，本章还会探讨低功耗无线通信技术（如蓝牙BLE、Zigbee）的接入层协议，以及MQTT、CoAP等物联网应用层协议在资源受限设备上的应用策略。 第十章：人机交互（HMI）与图形界面 本章探讨如何在嵌入式设备上实现直观的用户界面。我们将介绍嵌入式图形库（如LVGL、LittlevGL）的移植与使用方法，包括屏幕初始化、绘图引擎的工作原理。内容涵盖触摸屏的输入捕获、事件处理机制，以及如何设计高性能、低延迟的图形显示方案，兼顾用户体验与硬件资源的有效利用。 第十一章：固件空中升级（OTA）与安全性 保障设备长期稳定运行和应对安全威胁是现代嵌入式产品设计的核心环节。本章专门讲解OTA机制的实现原理，包括A/B分区、加密校验和回滚保护等关键技术。在安全性方面，我们将探讨嵌入式系统面临的威胁（如代码窃取、缓冲区溢出），并介绍硬件安全模块（如TrustZone、安全启动）的基本概念和应用，强调代码签名和数据加密在固件更新过程中的重要性。 第十二章：系统调试、性能优化与可靠性设计 本章聚焦于将原型转化为稳定产品的工程实践。我们将讨论系统级调试策略，包括使用逻辑分析仪和示波器进行硬件级故障排查。性能优化方面，涵盖代码级优化（循环展开、缓存友好的数据结构）和系统级优化（中断屏蔽优化、内存碎片整理）。最后，本章强调鲁棒性设计，包括硬件看门狗的使用、错误代码的返回机制以及系统状态机的设计，确保设备在复杂工况下仍能保持稳定运行。 本书内容覆盖了从底层硬件交互到上层应用实现的全链路知识体系，理论与实践相结合，旨在培养具备独立设计和开发复杂嵌入式系统的工程师。

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这是一本内容详实的指南，即便对于初学者来说也显得格外友好。作者在讲解PLC（可编程逻辑控制器）的基础知识时，循序渐进，从最基本的概念入手，例如PLC的组成、工作原理，到具体的编程指令和应用场景，都进行了细致的剖析。书中大量的图示和流程图，将抽象的概念具象化，让我这个初次接触PLC的人，也能很快理解其精髓。例如，在解释梯形图（Ladder Diagram）的绘制规则时，作者不仅仅是列出了一堆符号和规则，而是通过一个实际的简单控制案例，一步步引导读者完成梯形图的设计，并详细解释了每一个逻辑判断和输出控制的含义。这种“跟着做”的学习方式，极大地降低了学习门槛。 更让我惊喜的是，书中并没有停留在理论层面，而是提供了大量的实际操作指导。从PLC硬件的接线、安装，到软件的安装、配置，再到如何编写、下载和调试程序，每一个步骤都讲解得非常到位。我尤其喜欢书中关于“调试技巧”的部分，这对于实际项目来说至关重要。作者分享了许多在实际工作中遇到的常见问题以及相应的解决方法，例如如何通过监控表格快速定位程序错误，如何使用仿真软件进行离线测试，这些都让我受益匪浅。阅读这些内容时，我仿佛亲身站在一个真实的PLC控制柜前，在指导下进行操作，这种沉浸式的学习体验，远比干巴巴的文字描述要有效得多。

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这本书最让我赞叹的一点，在于它能够将枯燥的技术概念，转化为生动形象的知识。作者在讲解“PID控制”这一核心概念时，并没有直接罗列复杂的数学公式，而是通过一个形象的比喻——“恒温器”来引入。他解释说，PID控制就像一个家庭恒温器，它会根据当前室温（测量值）、设定温度（目标值）和过去的温度变化趋势，来智能地调节空调的输出功率，从而精确地维持室内温度稳定。这种通俗易懂的讲解方式，让我这个对自动控制理论了解不多的人，也能迅速理解PID控制的基本原理。 紧接着，作者又非常细致地讲解了P（比例）、I（积分）、D（微分）三个参数各自的作用，以及它们如何影响控制系统的响应速度、稳定性和精度。他提供了大量的图示，清晰地展示了不同PID参数组合下，系统输出曲线的变化，让我直观地感受到参数调整对控制效果的影响。更重要的是，书中还提供了实际的PID参数整定方法，例如“临界比例法”和“经验整定法”，并指导读者如何结合实际应用场景，对PID参数进行优化。这让我明白，PID控制并非一成不变，而是需要根据具体的被控对象和控制目标，进行精细的调整和优化，才能达到最佳的控制效果。

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这本书的编排逻辑堪称典范，每一章节的内容都像一块精心打磨的拼图，最终汇聚成一幅清晰而完整的PLC技术全景图。作者在讲解冗余控制系统时，就提供了一个非常具有说服力的案例。他不仅仅是说明了冗余的原理，更重要的是，他通过详细的程序逻辑和硬件配置说明，演示了如何实现主备PLC之间的无缝切换，以及当主PLC发生故障时，备用PLC如何自动接管控制任务，最大限度地减少生产中断的时间。这种理论与实践相结合的讲解方式，让我对冗余控制的价值有了更深刻的认识。 此外，书中关于“网络通信”的部分，也让我大开眼界。在现代工业环境中，PLC之间、PLC与上位机之间、PLC与各种智能设备之间，都需要进行高效可靠的网络通信。作者深入浅出地介绍了各种常见的工业以太网协议，如Profinet、EtherNet/IP、Modbus TCP等，并详细讲解了它们的工作原理、通信方式以及在实际应用中的配置方法。他通过实例演示了如何构建一个工业以太网，如何进行IP地址的配置，如何设置通信参数，以及如何解决通信过程中可能遇到的各种问题。这让我明白，PLC的通信能力是其集成到更大、更复杂自动化系统中的关键，而掌握这些网络通信技术，就如同拥有了连接工业世界脉络的钥匙。

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我一直在寻找一本能够系统地讲解PLC技术，但又不会过于理论化的书籍，而《可编程控制器技术教程》恰好满足了我的需求。作者的叙述方式非常平实，没有过多的华丽辞藻，但字里行间都透露着扎实的功底和丰富的经验。他在讲解“PLC与上位机通信”时，就以一个非常常见的“数据采集与监控”场景为例。他详细地阐述了如何利用各种通信协议，例如RS-485（Modbus RTU）、以太网（Modbus TCP）等，将PLC采集的现场数据，实时地传输到PC端的上位机软件中，并在上位机界面上进行可视化展示。 书中关于“数据格式转换”和“数据协议解析”的讲解，对于我这种初学者来说，更是如沐春风。作者并没有直接给出晦涩的协议定义，而是通过清晰的图示和步骤，演示了如何将PLC内部的二进制数据，转换为人类可读的十进制、十六进制或ASCII码等格式，以及如何根据具体的通信协议，对接收到的数据进行解析和处理。这让我明白了，PLC与上位机之间的通信，不仅仅是简单的“发送”和“接收”，更是一个数据经过多重转换和解析的过程，而掌握这些过程，才能真正实现有效的工业数据交换和信息集成。

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作者在阐述PLC安全性的重要性时，真是鞭辟入里，让我深受触动。在如今数字化、智能化的工业生产环境中，网络安全已经成为一个不容忽视的议题，而PLC作为工业控制系统的核心，其安全性更是重中之重。书中详细介绍了PLC在网络攻击下的潜在风险，例如未经授权的访问、程序篡改、数据泄露以及生产中断等。作者并没有止步于风险的提示，而是给出了许多切实可行的安全防护措施，包括强密码策略的应用、访问权限的精细化管理、防火墙的部署、VPN的利用，以及定期进行安全审计等等。 令我印象深刻的是，书中还专门辟出章节讲解了PLC的安全编程实践。作者强调了在编写PLC程序时，应该遵循“最小权限原则”，只赋予程序必要的访问权限，避免不必要的读写操作。他还分享了如何设计安全相关的程序逻辑，例如，对于关键的生产环节，应该加入多重安全校验，确保只有在满足所有安全条件的情况下，才能执行相应的操作。这种从硬件、网络到软件编程的全方位安全防护理念，让我深刻认识到，PLC安全并非一个孤立的技术问题，而是需要贯穿于整个PLC生命周期的系统工程。

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这本书的价值，远不止于教会你如何操作PLC，它更在于培养一种解决问题的思维方式。作者在讲解控制系统的设计理念时，展现了其深厚的工程实践经验。他不仅仅是告诉你“怎么做”，更重要的是告诉你“为什么这么做”。例如，在设计一个复杂的自动化流程时，作者会引导读者从宏观的系统需求出发，逐步分解为各个子模块的功能，然后再到具体的PLC控制逻辑。他对“状态机”原理的应用，对“冗余设计”的必要性，对“安全联锁”的重要性，都进行了深刻的剖析，并提供了相应的程序设计思路和方法。 我特别喜欢其中关于“故障诊断与排除”的章节。在实际的工业环境中，设备故障是不可避免的，而能否快速有效地定位并解决问题，直接关系到生产效率。书中提供的系统性的故障排查流程，从初步的现象观察，到PLC程序内部的逻辑分析，再到外部电气回路的检测，每一步都充满了实用性。作者还分享了许多他自己曾经遇到的棘手问题，以及是如何通过细致的分析和创新的方法最终解决的，这些真实的案例故事，不仅让我学到了宝贵的经验，也极大地增强了我面对复杂故障的信心，让我明白，很多看似棘手的问题，只要方法得当，分析到位，最终都能迎刃而解。

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这本书的价值，不仅仅体现在它所传授的技术知识，更在于它所蕴含的工程思维和实践智慧。作者在讲述“PLC的维护与保养”时，并没有停留在理论层面，而是分享了大量他在实际工作中积累的宝贵经验。例如，他详细讲解了如何对PLC硬件进行日常检查，包括电源模块、CPU模块、I/O模块以及通信模块的指示灯状态、工作温度等，并指导读者如何根据这些信息初步判断是否存在潜在的硬件故障。 更令我受益匪浅的是，书中关于“PLC程序的备份与恢复”以及“程序更新与升级”的策略。作者强调了定期备份PLC程序的重要性，并提供了多种备份方案，例如使用SD卡、U盘或网络存储等。他还详细讲解了在PLC程序出现问题时，如何快速有效地进行程序恢复，以及如何在不中断生产的情况下，安全地进行PLC程序的更新和升级。这些实用的建议，让我对PLC系统的长期稳定运行有了更深入的认识，也让我明白，技术知识的掌握固然重要，但工程实践中的经验和智慧，同样是不可或缺的。

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对于任何一个渴望在工业自动化领域有所建树的人来说，这本书都像是一把开启未知大门的钥匙。它并没有回避PLC技术发展的前沿领域，而是适当地引入了许多现代工业控制中的热门话题，例如SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）系统的集成、HMI（Human Machine Interface）的交互设计，以及一些关于工业物联网（IIoT）的初步概念。虽然这些内容可能不是本书的重点，但作者以一种非常巧妙的方式，将它们与PLC技术巧妙地联系起来，让你能够对整个自动化体系有一个更宏观的认识。 我印象特别深刻的是，书中在讲解如何构建一个完整的上位机监控界面时，是如何与PLC的内部数据进行实时交互的。作者通过一个案例，演示了如何配置OPC服务器，如何利用各种通信协议（如Modbus TCP、Ethernet/IP等）从PLC读取和写入数据，以及如何在HMI软件中设计直观易懂的画面。这不仅仅是技术层面的讲解，更包含了对用户体验的考量。作者强调了界面设计的简洁性、信息呈现的准确性以及操作的便捷性，这些都是一个成功的工业自动化系统不可或缺的要素。它让我意识到，PLC不仅仅是一个独立的控制器，更是整个自动化系统中的一个关键节点，它的数据需要被有效地采集、显示和管理。

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我必须承认，在阅读之前，我对“运动控制”这个领域知之甚少。然而，《可编程控制器技术教程》中的相关章节，彻底改变了我的认知。作者以一种极其专业且易于理解的方式，介绍了PLC在运动控制方面的应用，涵盖了伺服电机、步进电机、变频器等关键设备。他详细讲解了PLC如何通过脉冲输出（PTO）和脉冲捕获（PCO）功能，来实现对电机的高精度定位和速度控制。 书中关于“伺服驱动器与PLC的通信”的部分，尤其让我印象深刻。作者详细解释了诸如CANopen、EtherCAT等主流的工业以太网通信协议，以及它们在运动控制中的应用。他通过实际的接线图和程序片段，演示了如何配置伺服驱动器，如何设置通信参数，如何进行伺服轴的初始化，以及如何实现伺服轴的各种运动指令，例如点位控制、速度控制、多轴联动等。这让我意识到，PLC在现代工业自动化中，早已不再局限于简单的开关量控制，而是能够承担起复杂的运动控制任务，为自动化生产线提供了更强大的动力和灵活性。

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这本《可编程控制器技术教程》绝对是一本能够让你对PLC产生全面认识的佳作。作者对PLC的硬件平台，诸如不同品牌、型号的PLC的特性和选型建议，进行了相当深入的探讨。你将了解到，并非所有的PLC都是万能的，根据不同的工业自动化需求，需要选择最适合的PLC型号，而书中对此提供了非常有价值的参考信息。例如，在讲解CPU模块时，作者就对比了不同系列PLC在处理速度、内存大小、I/O点数以及通信接口等方面的差异，并结合实际应用场景，给出了如何权衡取舍的建议。这对于希望在实际工作中进行PLC选型的人来说，无疑是一笔宝贵的财富，避免了盲目选择带来的资源浪费和性能瓶颈。 除了硬件，软件方面的内容也同样精彩。书中对主流的PLC编程软件，如Siemens的TIA Portal、Rockwell的RSLogix等，进行了详细介绍，涵盖了软件的安装、界面布局、基本操作以及一些高级功能。特别是在讲解数据类型、变量管理、子程序调用等方面，作者都力求做到清晰明了，并通过丰富的实例来演示如何有效地组织和管理复杂的PLC程序。我尤其欣赏的是作者在介绍编程语言时，不仅仅局限于梯形图，还对功能块图（FBD）、结构化文本（ST）等多种编程语言进行了阐述，并分析了它们各自的优缺点以及适用场景，这为我打开了新的视野，让我能够根据不同问题的特性，选择更高效、更简洁的编程方式，而不是局限于一种思维模式。

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