单片机实验与实践 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:北京蓝色畅想图书发行有限公司（原高等教育出版社）

作者:付家才

出品人:

页数:195

译者:

出版时间:2006-3

价格:16.70元

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isbn号码:9787040186666

丛书系列:

图书标签:

• 单片机
• 嵌入式系统
• 实验教学
• 实践
• 电子工程
• Arduino
• STC
• 51单片机
• C语言
• 硬件设计

《嵌入式系统设计与开发：从理论到实战》 前言 嵌入式系统，作为信息时代的基石，正以前所未有的速度渗透到我们生活的方方面面。从智能手机、车载娱乐系统，到工业自动化、医疗设备，乃至物联网的每一个连接节点，都离不开嵌入式系统的精密运作。然而，构建一个稳定、高效、可靠的嵌入式系统，绝非易事。它需要扎实的理论基础、精湛的编程技巧、深入的硬件理解，以及严谨的系统调试能力。 本书旨在为读者提供一个全面而深入的嵌入式系统设计与开发指南。我们不局限于某个特定的微控制器或开发平台，而是着重于那些贯穿于所有嵌入式系统开发过程中的核心概念、关键技术与实用方法。通过循序渐进的讲解和贴近实际的案例分析，我们希望帮助读者建立起对嵌入式系统开发的系统性认知，掌握解决复杂问题的能力，并最终能够独立完成高质量的嵌入式项目。 本书的内容涵盖了从基础的数字电路原理，到复杂的操作系统移植，再到高级的通信协议和性能优化。我们力求在理论深度和实践指导之间找到最佳平衡点，让读者在理解“为什么”的同时，也能掌握“怎么做”。本书的最终目标是赋能读者，让他们能够自信地踏入嵌入式开发的广阔天地，成为一名优秀的嵌入式系统工程师。 第一篇：嵌入式系统基础理论与硬件选型 第一章：嵌入式系统的概念与发展 1.1 什么是嵌入式系统？ 定义与特征：专用的、面向特定任务的、资源受限的、与物理世界交互的。 与通用计算机系统的区别与联系。 嵌入式系统的应用领域广泛性：消费电子、工业控制、通信设备、医疗仪器、汽车电子、国防军事等。 嵌入式系统在现代科技中的重要性与不可或缺性。 1.2 嵌入式系统的发展历程 早期单片机应用与发展。 微处理器、微控制器、DSP、FPGA等核心器件的演进。 实时操作系统（RTOS）的出现与普及。 网络化与智能化趋势：物联网（IoT）、边缘计算等。 未来发展方向展望：AIoT、低功耗长连接、高可靠性等。 1.3 嵌入式系统的典型组成 硬件子系统：微处理器/微控制器、存储器（RAM, ROM, Flash）、I/O接口、外围设备（传感器、执行器、显示屏、通信模块等）。 软件子系统：固件、驱动程序、中间件、应用软件。 实时操作系统（RTOS）或裸机运行。 硬件与软件的协同工作原理。 第二章：微控制器（MCU）与微处理器（MPU） 2.1 微控制器（MCU） 核心概念：集成CPU、内存、I/O端口于一体的芯片。 典型架构：ARM Cortex-M系列、RISC-V、AVR、PIC等。 MCU的主要组成部分：CPU核心、闪存（Flash Memory）、SRAM、EEPROM、定时器/计数器、ADC/DAC、PWM、UART、SPI、I2C、GPIO等。 MCU的特点：低功耗、低成本、高集成度、适用于资源受限的应用。 经典MCU系列介绍与应用场景分析。 2.2 微处理器（MPU） 核心概念：主要负责计算和数据处理，通常需要外部存储器和I/O设备。 典型架构：ARM Cortex-A系列、x86等。 MPU与MCU的主要区别：处理能力、功耗、成本、集成度。 MPU在高性能嵌入式系统中的作用：运行复杂操作系统、执行多任务、支持图形界面等。 MPU生态系统：Linux、Android等操作系统。 2.3 嵌入式处理器选型指南 需求分析：性能要求、功耗预算、成本限制、开发周期、可用性。 关键技术指标：主频、核心数量、内存接口、外设支持、功耗。 常见处理器家族对比与优劣势分析。 考虑生态系统：开发工具链、社区支持、现有IP核。 示例：针对智能家居控制器的处理器选型。 第三章：嵌入式系统硬件接口与通信 3.1 数字输入/输出（GPIO） GPIO的工作原理：寄存器控制、引脚配置（输入/输出、上拉/下拉）。 GPIO的常见应用：LED控制、按键输入、开关状态检测。 GPIO的电气特性：电压、电流、电平兼容性。 GPIO的注意事项：防静电、过流保护。 3.2 模数转换（ADC）与数模转换（DAC） ADC原理：采样、量化、编码。 ADC的关键参数：分辨率、采样率、转换精度、输入范围。 ADC的典型应用：读取传感器模拟信号（温度、湿度、光照、压力等）。 DAC原理：将数字信号转换为模拟信号。 DAC的关键参数：分辨率、输出范围、转换速度。 DAC的典型应用：产生模拟控制信号、音频输出。 3.3 定时器/计数器与PWM（脉冲宽度调制） 定时器/计数器：实现延时、周期性事件触发、事件计数。 PWM原理：通过改变脉冲的占空比来模拟不同幅度的信号。 PWM的应用：电机调速、LED亮度调节、舵机控制。 定时器与PWM的组合应用：精确控制。 3.4 串行通信接口 UART（通用异步收发传输器）： 原理：异步通信、波特率、数据位、停止位、校验位。 应用：PC与嵌入式设备通信、模块间通信。 RS-232, RS-485标准简介。 SPI（串行外设接口）： 原理：全双工、同步通信、主从模式、时钟同步。 应用：连接高速外设（Flash、SD卡、显示屏、传感器）。 I2C（集成电路互联总线）： 原理：半双工、同步通信、多主多从、地址寻址。 应用：连接低速外设（EEPROM、RTC、I/O扩展器、传感器）。 CAN（控制器局域网）： 原理：总线型、差分信号、多主、冲突检测与仲裁。 应用：汽车电子、工业自动化。 3.5 并行通信接口 并行接口的原理与特点。 常见并行接口的应用场景（如早期的打印机接口）。 现代嵌入式系统中并行接口的局限性。 第二篇：嵌入式软件开发与编程 第四章：C语言在嵌入式开发中的应用 4.1 C语言基础回顾与嵌入式特性 数据类型、运算符、控制结构、函数。 指针：内存地址、指针运算、野指针、悬空指针。 结构体与联合体：数据封装与内存管理。 位操作：按位运算符、位域。 4.2 嵌入式C语言的特殊之处 内存访问：直接内存地址访问、硬件寄存器操作。 数据对齐与字节序（Endianness）。 可变参数函数。 `volatile`关键字：处理硬件寄存器和多线程访问。 `const`关键字：定义常量和只读变量。 `static`关键字：全局变量、局部变量、函数的作用域。 4.3 嵌入式C语言编程实践 裸机编程：直接操作硬件寄存器，无操作系统支持。 使用HAL（Hardware Abstraction Layer）库：屏蔽底层硬件差异，提高代码可移植性。 链表、队列、栈等数据结构的实现与应用。 中断服务程序的编写与优化。 内存管理：静态分配、动态分配（`malloc`/`free`的注意事项）。 代码优化技巧：提高效率，减小代码体积。 第五章：嵌入式实时操作系统（RTOS） 5.1 RTOS的核心概念 任务（Task）/线程（Thread）：独立的执行单元。 任务状态：就绪、运行、阻塞、挂起。 任务调度：优先级调度、时间片轮转、先到先服务。 任务间通信（IPC）：消息队列、信号量、互斥锁、事件标志。 中断管理：中断向量、中断服务程序（ISR）、中断延迟。 内存管理：固定分区、动态分区。 定时器与时钟。 5.2 常见的RTOS介绍 FreeRTOS：轻量级、跨平台、广泛应用的RTOS。 RT-Thread：国产RTOS，生态丰富，社区活跃。 Zephyr Project：Linux基金会下的RTOS，面向IoT设备。 VxWorks、QNX等商业RTOS。 5.3 RTOS在嵌入式系统中的应用 解决多任务并发问题。 提高系统响应速度和实时性。 简化软件架构，提高可维护性。 案例：基于RTOS的多传感器数据采集与处理系统。 RTOS的选型原则与移植过程简介。 第六章：嵌入式Linux开发 6.1 Linux在嵌入式领域的优势 开源、免费、可定制性强。 丰富的开发工具链和库支持。 强大的网络功能和文件系统。 成熟的驱动模型和设备树。 6.2 嵌入式Linux系统架构 Bootloader：U-Boot, GRUB等。 Linux Kernel：驱动层、核心层、系统调用层。 Root Filesystem：BusyBox, Yocto等。 用户空间应用程序。 6.3 嵌入式Linux开发流程 交叉编译环境的搭建。 Bootloader的配置与烧录。 Linux Kernel的配置、编译与移植。 Root Filesystem的构建。 应用程序的开发与部署。 6.4 嵌入式Linux常用技术 Shell脚本编程。 进程与线程管理。 设备驱动开发：字符设备、块设备、网络设备。 设备树（Device Tree）：描述硬件信息。 系统性能调优。 Qt for Embedded等图形用户界面开发。 第三篇：嵌入式系统进阶与实践 第七章：嵌入式通信协议与网络 7.1 TCP/IP协议栈 TCP/IP模型与各层协议（HTTP, FTP, SMTP, DNS等）。 Socket编程：TCP和UDP通信。 嵌入式设备上的网络连接：Ethernet, Wi-Fi, Cellular。 7.2 物联网（IoT）通信协议 MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）：轻量级发布/订阅协议。 CoAP（Constrained Application Protocol）：面向受限设备的RESTful协议。 HTTP/HTTPS：在嵌入式设备上的应用。 NB-IoT, LoRa等低功耗广域网技术。 7.3 蓝牙与Zigbee 蓝牙（Bluetooth）：经典蓝牙与低功耗蓝牙（BLE）。 Zigbee：低功耗、低速率、网状网络的无线通信技术。 应用场景：智能家居、工业传感器网络。 7.4 CAN总线与Modbus CAN总线在工业自动化中的应用。 Modbus协议：串行和TCP/IP变种。 工业现场总线技术简介。 第八章：嵌入式系统调试与测试 8.1 调试工具与方法 仿真器（Emulator）与模拟器（Simulator）： 软件层面的调试。 调试器（Debugger）： JTAG/SWD接口、GDB、IDE集成调试器。 逻辑分析仪（Logic Analyzer）与示波器（Oscilloscope）： 硬件信号分析。 串口调试助手（Serial Debug Assistant）： 打印调试信息。 printf调试法： 简单有效的调试手段。 8.2 常见的调试技巧 断点设置与单步执行。 变量监视与内存查看。 寄存器查看与修改。 异常处理与堆栈跟踪。 逻辑错误定位。 硬件故障排查。 8.3 嵌入式系统测试 单元测试：验证模块的正确性。 集成测试：验证模块之间的协同工作。 系统测试：验证整个系统的功能和性能。 压力测试与稳定性测试。 功耗测试。 自动化测试框架简介。 第九章：嵌入式系统安全与可靠性 9.1 嵌入式系统安全威胁 物理攻击：硬件篡改、侧信道攻击。 网络攻击：DDoS、SQL注入、固件更新漏洞。 软件漏洞：缓冲区溢出、越界访问。 数据泄露与隐私问题。 9.2 安全设计原则与技术 最小权限原则。 安全启动（Secure Boot）。 加密与解密：AES, RSA等。 数字签名。 安全通信协议（TLS/SSL）。 固件更新的安全机制。 访问控制。 9.3 嵌入式系统可靠性设计 硬件冗余与容错。 软件容错：错误检测与恢复。 看门狗（Watchdog Timer）的使用。 异常处理与日志记录。 环境适应性：温度、湿度、振动。 电源管理与保护。 第十章：嵌入式系统性能优化与功耗管理 10.1 性能瓶颈分析 CPU占用率。 内存访问效率。 I/O操作延迟。 通信带宽与延迟。 算法效率。 10.2 性能优化策略 代码优化：算法改进、数据结构选择、编译器优化。 硬件加速：使用DSP、FPGA等。 并行处理与多线程。 中断优化：减少中断嵌套深度，提高中断响应速度。 缓存策略。 10.3 嵌入式系统功耗管理 硬件功耗：低功耗模式、动态电压频率调整（DVFS）。 软件功耗：任务调度优化、定时器管理、外设按需唤醒。 休眠模式（Sleep Mode）与唤醒机制。 功耗监控与分析工具。 低功耗设计案例。 附录 常用嵌入式开发工具链介绍。 参考资料与进一步阅读。 结语 嵌入式系统的世界是广阔而充满挑战的。掌握本书所介绍的知识与技能，将为读者开启一扇通往这个精彩领域的大门。我们鼓励读者在学习过程中，勤于动手实践，勇于探索创新，并始终保持对技术的热情。愿本书能成为您在嵌入式系统开发之旅中的得力伙伴。

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我必须承认，这本书的挑战性是相当高的，它绝非为那些只求一知半解的初学者准备的“速成指南”。它要求读者具备扎实的数学基础和一定的电路理论功底，这使得它在面向绝对小白用户时显得有些“高冷”。然而，正是这种对知识深度的坚持，才使得它在专业人士群体中获得了极高的声誉。书中对高速数字电路设计中的阻抗匹配和串扰分析，处理得非常专业和深入，包含了许多前沿的仿真技巧和实际布线规范，这些内容往往需要读者查阅其他更专业的电磁场理论书籍才能完全掌握。作者在探讨这些复杂问题时，并没有回避其数学本质，而是巧妙地将复杂的微积分和矩阵运算，转化为可理解的工程指标和设计准则。这种“深入本质但又服务于实践”的处理方式，是区分优秀教材和普通参考书的关键。它激励着读者不断去挑战自己的知识边界，而不是满足于停留在表面的应用层面。对于希望冲击高级岗位或进行前沿研发的工程师而言，这本书是不可或缺的“试金石”。

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这本书，坦率地说，让我对现代电子工程的理解有了一个颠覆性的认识。它并非那种只会堆砌公式和晦涩理论的教科书，而更像是一位经验丰富、知识渊博的工程师，手把手地带着你深入到实际操作的核心。书中对于底层硬件的剖析极其到位，从晶体管的工作原理到复杂的集成电路设计逻辑，每一个细节都经过了精心的打磨和详尽的阐述。特别是关于信号完整性和电磁兼容性的章节，那些在大学课堂上常常一笔带过、却在实际工作中至关重要的内容，在这里得到了前所未有的重视和深入的讲解。作者似乎深知，理论的完美不等于实际系统的可靠，因此，他花费了大量的篇幅来讨论“为什么”某些看似完美的理论设计在真实环境中会失效，以及如何通过实践中的智慧去规避这些陷阱。我尤其欣赏它对不同应用场景的案例分析，这些案例不仅仅是技术的展示，更是一种解决问题的思维模式的培养。读完后，我感觉自己不再只是一个会使用工具的人，而是开始真正理解工具背后的原理和限制，这对于任何想要在硬件领域深耕的人来说，都是无价的财富。这本书的深度和广度，绝非市面上那些浅尝辄止的读物可以比拟。

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这本书的排版和配图质量，简直是业界的一个标杆。我阅读过很多技术书籍，常常因为图表模糊、电路图冗长晦涩而感到沮丧。但在这本书里，每一张插图都经过了精心设计，它们不仅是视觉的辅助，更是概念的提炼。特别是涉及到复杂时序图和数据流分析时，那些色彩分明的层次结构和简洁的箭头指示，使得原本需要反复阅读才能理解的流程，可以一目了然。编辑团队显然与作者进行了深度的合作，确保了理论表达与视觉呈现的高度统一。此外，书中对于代码示例的呈现方式也值得称赞。它采用了一种非常清晰的代码块格式，关键语句和注释都被巧妙地突出显示，让人在学习新概念的同时，能够立即看到其在实际代码中的投影，这极大地降低了学习曲线。对于一个习惯于通过视觉信息辅助记忆和理解的读者来说，这种高水准的制作工艺，无疑是提升阅读体验和学习效率的关键因素。它让我感觉，与其说是在读一本技术手册，不如说是在参与一次精心策划的高端技术研讨会。

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从一个注重项目落地和成本控制的角度来看，这本书同样展现了其独特的价值取向。它不仅仅停留在“怎样才能让系统跑起来”，更深入地探讨了“怎样以最低的综合成本让系统稳定、可靠、可量产地跑起来”。书中穿插了大量关于供应链管理、元器件选型策略以及可靠性测试规范的讨论。例如，作者在分析了某类存储器的不同封装形式及其对系统散热和BOM成本的影响后，给出了一个详细的决策矩阵，这对于项目经理和硬件采购人员来说，提供了极具实操性的指导。它教会我们如何平衡性能指标、制造成本和长期维护成本这“三驾马车”。很多技术书籍只关注技术实现的“辉煌”，而这本书却着眼于工程实现的“现实”。它用一种非常务实的口吻告诫读者，再完美的技术方案，如果不能在预算内按时交付，就毫无意义。这种商业与技术的完美结合，使得这本书成为了我工具箱中，一本既能指导我写出优美代码，又能帮我守住项目底线的宝典。

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初次翻开这本著作时，我原本的预期是它会聚焦于某种特定微控制器平台的入门教程，毕竟市面上的同类书籍大多如此。然而，令我惊喜的是，它所提供的知识框架远远超越了单一的硬件平台限制。它构建的是一个关于“嵌入式系统设计哲学”的宏大体系。作者的叙事风格充满了逻辑的严谨性和人文的关怀，他不仅仅告诉你“该怎么做”，更会深入探讨“为什么这样做是最高效或最稳健的”。例如，在谈到实时操作系统（RTOS）的任务调度时，它没有停留在标准的优先级反转问题上，而是引入了多种前沿的调度算法，并用生动的比喻解释了这些算法在不同负载情况下的性能权衡。更难能可贵的是，书中对于软件工程在硬件项目中的应用有着独到的见解，强调了版本控制、代码质量和系统可维护性的重要性，这在很多偏重硬核技术的书籍中是极其罕见的软实力培养。这本书的价值在于，它培养的不仅仅是能让灯泡亮起来的工程师，更是能构建出可长期运行、易于维护的工业级产品的架构师。每一次重读，都会有新的领悟，因为它提供的是一套可以迁移到任何新兴技术栈中的通用思维工具箱。

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