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出版者:Addison-Wesley Professional

作者:MindShare Inc.

出品人:

页数:464

译者:

出版时间:1995-09-25

价格:USD 39.99

装帧:Paperback

isbn号码:9780201409918

丛书系列:

图书标签:

• PCMCIA
• 移动计算
• 嵌入式系统
• 系统架构
• 计算机接口
• 硬件设计
• 通信协议
• 低功耗
• 并行接口
• 串行接口

《嵌入式系统与实时操作系统：原理、设计与应用》 本书深入探讨嵌入式系统设计与实时操作系统（RTOS）的精妙结合，旨在为读者构建一个坚实的理论基础，并提供丰富的实践指导。我们将从嵌入式系统的核心组成部分出发，剖析其硬件架构、软件栈以及它们之间复杂的交互机制。随后，本书将聚焦于实时操作系统的核心概念，如任务调度、进程间通信、中断处理、内存管理等，并详细介绍不同调度算法的原理、优缺点及其在实际应用中的选择考量。 第一部分 嵌入式系统基础 第一章 嵌入式系统概述 定义、特征与应用领域：阐述嵌入式系统的本质，区分通用计算机系统，并广泛列举其在消费电子、工业控制、医疗设备、汽车电子、航空航航天等领域的典型应用。 嵌入式系统硬件架构：深入解析微处理器/微控制器（CPU/MCU）、存储器（RAM, ROM, Flash）、输入/输出（I/O）接口（GPIO, UART, SPI, I2C）、外围设备（ADC, DAC, 定时器, PWM）等关键硬件组件的功能与选型考量。 嵌入式系统软件构成：介绍嵌入式软件的设计层次，包括裸机程序、操作系统（RTOS）以及应用层软件，并探讨它们之间的关系。 第二章 嵌入式处理器与微控制器 处理器体系结构（ARM, RISC-V 等）：介绍主流嵌入式处理器架构的特点、指令集、流水线技术及其对性能和功耗的影响。 微控制器（MCU）选型：基于具体应用需求，分析不同MCU系列（如STM32, ESP32, PIC 等）的性能、功耗、外设集成度、开发工具链等方面的差异，提供选型指南。 存储器接口与管理：详述存储器类型（SRAM, DRAM, Flash）的原理，以及CPU如何通过地址总线、数据总线与存储器进行交互，并介绍简单的内存映射概念。 第三章 嵌入式系统开发工具与流程 交叉编译与调试：解释交叉编译的必要性，介绍GCC、Clang等交叉编译器的使用，以及GDB等调试器的应用，包括远程调试和硬件仿真。 集成开发环境（IDE）：介绍Keil MDK, IAR Embedded Workbench, VS Code + PlatformIO 等主流嵌入式IDE的功能，以及如何配置和使用它们进行项目开发。 版本控制系统（Git）：强调版本控制在团队协作和代码管理中的重要性，讲解Git的基本命令和工作流程。 第二部分 实时操作系统（RTOS）原理与实践 第四章 实时操作系统（RTOS）核心概念 RTOS的定义与特性：区分通用操作系统与RTOS，强调实时性、确定性、任务管理、资源共享等RTOS的关键特性。 任务（Task）与线程（Thread）：深入解释任务的概念，包括任务的状态（就绪、运行、阻塞、挂起）、任务的创建、删除与切换。 上下文切换（Context Switching）：详细阐述上下文切换的过程、开销，以及其对系统实时性的影响。 第五章 RTOS任务调度 调度算法介绍：详细讲解各种常见的RTOS调度算法，包括： 固定优先级调度（Fixed-Priority Scheduling）：优先级反转问题及其解决方案（优先级继承、优先级天花板）。 时间片轮转调度（Round-Robin Scheduling）：公平性与响应时间。 协同式调度（Cooperative Scheduling）：优点与缺点。 动态优先级调度（Dynamic-Priority Scheduling）：例如Earliest Deadline First (EDF) 及其在严格实时系统中的应用。 优先级与抢占：理解优先级的作用，以及抢占式调度如何确保高优先级任务的及时执行。 调度器实现：简要介绍调度器在RTOS内核中的实现方式。 第六章 RTOS进程间通信（IPC） 信号量（Semaphore）：计数信号量与二元信号量，用于资源互斥与同步。 互斥锁（Mutex）：用于保护共享资源，避免竞态条件，并深入探讨其与信号量的区别。 消息队列（Message Queue）：实现任务间数据的异步传递，支持阻塞和非阻塞读写。 事件标志（Event Flags）/事件组（Event Groups）：允许任务等待一个或多个事件的发生。 管道（Pipe）：实现单向的进程间数据流。 共享内存（Shared Memory）：提供高效的数据共享机制。 IPC机制的选择与设计考量：根据应用场景，分析不同IPC机制的适用性、效率与开销。 第七章 RTOS中断处理与时钟管理 中断服务例程（ISR）的设计：强调ISR的简短性、高效性，避免在ISR中执行耗时操作，以及如何通过信号量或消息队列与任务进行交互。 中断嵌套与优先级：理解中断嵌套的概念，以及中断优先级如何影响中断的处理顺序。 时钟与定时器：RTOS内核如何利用硬件定时器实现时间片轮转、任务延时、定时唤醒等功能。 系统Tick：解释系统Tick的概念及其在RTOS时间管理中的作用。 第八章 RTOS内存管理 内存分配策略：静态分配、动态分配（malloc/free），以及RTOS提供的内存池（Memory Pool）和内存堆（Memory Heap）管理。 内存碎片问题：分析内存碎片产生的原因，以及如何通过内存管理策略进行优化。 内存保护（Memory Protection Unit - MPU）：介绍MPU在嵌入式系统中的作用，以及如何利用MPU提高系统的稳定性和安全性。 第三部分 RTOS应用与高级主题 第九章 常用RTOS介绍与选型 FreeRTOS：深入介绍FreeRTOS的架构、API、配置选项，以及其广泛的应用。 RT-Thread：分析RT-Thread的内核特性、组件化设计，以及其在物联网领域的优势。 Zephyr OS：介绍Zephyr OS的特点、设计理念，以及其对资源受限设备的良好支持。 其他RTOS（如VxWorks, QNX）：简要介绍商业RTOS的特点与应用领域。 RTOS选型指南：根据项目需求（性能、功耗、内存占用、实时性要求、开发生态、许可协议等），提供系统化的RTOS选型建议。 第十章 驱动程序开发与硬件抽象层（HAL） 硬件驱动程序设计原则：编写高效、可靠、可移植的驱动程序。 HAL（Hardware Abstraction Layer）的作用：如何通过HAL屏蔽底层硬件差异，提高软件的可移植性。 设备模型与框架：介绍常见的设备模型（如Linux的字符设备、块设备模型）以及RTOS提供的设备驱动框架。 第十一章 网络通信与协议栈 TCP/IP协议栈在嵌入式系统中的应用：介绍lwIP等轻量级TCP/IP协议栈。 嵌入式网络通信协议：MQTT, CoAP, HTTP等物联网常用协议的原理与应用。 无线通信技术：Wi-Fi, Bluetooth, LoRa等嵌入式无线通信模块的接口与驱动。 第十二章 RTOS应用案例分析 工业自动化控制系统：基于RTOS实现实时控制、数据采集与通信。 智能家居设备：利用RTOS管理多任务、设备互联与用户交互。 医疗电子设备：在满足严格安全与实时性要求下的RTOS应用。 汽车电子系统：CAN总线通信、ECU控制等RTOS的应用场景。 第十三章 嵌入式系统安全与可靠性 安全威胁与防护：介绍嵌入式系统面临的安全挑战（如固件更新安全、数据加密、访问控制），以及相应的安全措施。 系统可靠性设计：冗余设计、容错机制、错误检测与恢复。 RTOS在提高系统可靠性中的作用。 本书内容力求深入浅出，理论与实践并重。每一章节都包含详细的原理阐述，辅以清晰的图示和代码示例，帮助读者理解抽象概念。通过对实际应用案例的分析，读者将能够更好地掌握RTOS的设计与开发技巧，从而在复杂的嵌入式系统项目中游刃有余。本书适合计算机科学、电子工程、自动化等相关专业的学生，以及从事嵌入式系统研发的工程师阅读。

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这本书的结构性问题是其最致命的缺陷之一。章节之间的逻辑跳跃性非常大，使得读者在阅读过程中需要不断地在不同抽象层次之间进行手动切换。比如说，刚刚读完一段关于物理层信号完整性的高频讨论，下一页可能就会突然跳到关于特定应用程序接口（API）调用顺序的描述，而中间本应作为桥梁的驱动层软件状态机，却被一带而过。这种非线性的叙事方式，极大地增加了读者的认知负荷。我花了相当长的时间来尝试构建一个完整、连贯的PCMCIA数据传输流程图景，但书本提供的零散信息拼凑在一起，总有缺失的环节。特别是关于资源仲裁（Resource Arbitration）的部分，这是一个涉及硬件资源（I/O地址、中断、DMA）分配的复杂过程，但书中对其描述过于抽象化，缺乏具体的时序图或伪代码示例来阐明哪个代理（Agent）在何时拥有最终决定权。总而言之，这本书未能提供一个从上至下、脉络清晰的蓝图，更像是一本散落的笔记集合，需要读者自行投入大量精力进行整理和重构，才能勉强获得一个较为完整的认知框架。

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从排版和用词风格来看，这本书散发着一种浓厚的、未经充分编辑的学术气息。大量的缩写词（Acronyms）在首次出现时并未得到充分的解释，或者解释得过于简略，使得不熟悉那个特定时代技术术语的读者感到极度困惑。很多关键的技术术语，例如“Function Layer”和“Socket Services”的职责边界，在不同章节中甚至出现了轻微的语义漂移，这无疑加剧了理解的难度。此外，书中引用的图表质量普遍偏低，很多流程图和架构示意图线条模糊，标注拥挤，完全没有现代技术书籍应有的清晰度和视觉引导性。对于需要通过图表直观理解复杂系统交互的读者而言，这些图表非但没有起到辅助作用，反而成了理解障碍。这本书的写作目的似乎是最大限度地记录所有已知的技术规格，而完全忽略了将这些规格转化为易于消化的知识产品的能力。它更像是作者或某个标准委员会成员的一份内部草稿，而非一本面向更广泛技术群体的、经过精细打磨的出版物。它记录了“是什么”，却鲜有地解释“为什么优选这个方案”以及“如何应对现实中的各种怪异情况”。

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这本《PCMCIA System Architecture》的阅读体验真是让人又爱又恨。从宏观上看，它试图勾勒出PCMCIA作为一个标准接口的整体脉络，但在细节的打磨上却显得有些力不从心。书中对于硬件层面的描述，比如物理连接器的设计考量、电源管理机制的早期实现，虽然提供了基础框架，但对于现代读者来说，这些内容显得过于陈旧和理论化，缺乏实际操作的指导性。例如，在讲解电气规范时，作者似乎更倾向于复述规格书上的条文，而不是深入剖析这些规范背后的工程权衡与设计哲学。我期待看到更多关于不同厂商实现之间的兼容性挑战，以及在资源受限的早期移动设备中，如何通过软件层巧妙地规避硬件限制的案例分析，但这些在书中几乎是空白。整本书给我的感觉更像是一份详尽但缺乏温度的技术文档汇编，而不是一本引导读者理解并驾驭这一复杂架构的优秀教程。对于想要了解PCMCIA历史沿革的工程师来说，它或许能提供一个粗略的路线图，但想指望它能让你成为该领域的专家，恐怕是缘木求鱼了。章节间的过渡也显得生硬，仿佛是拼凑了几篇独立的研究报告，缺乏一个流畅的叙事主线来串联起复杂的接口协议和软件驱动的演进过程。

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如果从历史回顾的角度来审视《PCMCIA System Architecture》，这本书的价值或许会略微提升，但其作为一本技术参考书的实用性则大打折扣。书中对PCMCIA标准制定的初期背景、游说过程以及各大硬件厂商的立场差异，有着较为细致的描绘，这部分内容读起来倒有几分行业编年史的味道。然而，这种历史的“八卦”和背景介绍，占据了过多篇幅，却挤压了对核心技术难点深入分析的空间。例如，在描述Type I、II、III卡的不同厚度和电气特性时，作者花费了大量笔墨去解释不同厂商出于市场定位而采取的“差异化策略”，而不是着重于这些差异对驱动层软件复杂性带来的实际影响。此外，书中对软件驱动模型的讨论，尤其是在处理不同操作系统环境下的差异性时，显得非常保守和保守。它似乎默认了一个统一的、完美的驱动模型，却未能充分展示，在Windows 3.1、OS/2甚至早期Linux等碎片化的环境中，实现PCMCIA通用性的巨大挑战和相应的变通方法。因此，这本书更像是一份上世纪九十年代中期的行业白皮书，而非一本能够指导当代技术人员理解这一接口核心机制的权威著作。

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我不得不说，这本书在系统层面的抽象处理上，展现出一种令人困惑的疏离感。它花了大量的篇幅去描述概念性的结构图，比如卡服务管理器（Card Services Manager）和系统服务（System Services）之间的关系模型，但每当试图深入探究这些服务在实际操作系统内核中是如何映射和实现的，文字便开始变得含糊不清，仿佛作者本身也只是在描述一个理想化的、尚未完全落地的蓝图。比如，关于中断处理和内存映射（Memory Mapping）机制的讨论，只是蜻蜓点水地提到了“共享资源”的概念，却完全没有触及关键的冲突解决策略——这在那个时代，是PCMCIA设备稳定运行的生命线。对于一个习惯了现代总线架构中详尽的错误报告和调试机制的读者来说，这种对“黑盒”内部运作的轻描淡写是难以接受的。这本书更像是为那些已经对底层硬件有深刻理解的人准备的“术语校验手册”，而不是为初学者铺设的坚实地基。它遗漏了太多“为什么”和“怎么做”的连接点，使得整个PCMCIA架构在书本的二维平面上显得僵硬而缺乏生命力，无法让人体会到在有限的资源下，工程师们为了实现热插拔功能所付出的巨大智慧和努力。

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