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出版者:清华大学

作者:全国计算机技术与软件专业技术资格(水平)考试办公室

出品人:

页数:46

译者:

出版时间:2006-7

价格:5.00元

装帧:

isbn号码:9787302131762

丛书系列:

图书标签:

• 嵌入式系统
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《嵌入式系统设计与开发实战》 内容概述 本书旨在为广大嵌入式系统工程师、在校学生以及对此领域感兴趣的初学者提供一套系统、全面且贴近实际的嵌入式系统设计与开发指南。全书围绕嵌入式系统的核心概念、关键技术、开发流程及典型应用展开，力求理论与实践相结合，帮助读者从入门到精通，掌握嵌入式系统开发的完整技能链。 核心内容解析 第一部分：嵌入式系统基础理论 本部分将深入剖析嵌入式系统的本质，为其后续的学习奠定坚实的理论基础。 第一章：嵌入式系统概述 什么是嵌入式系统？ 详细阐述嵌入式系统的定义、特点（如小巧、高效、专用、实时、智能化等），与通用计算机系统的区别与联系。 嵌入式系统的组成： 深入分析嵌入式系统的“五脏六腑”，包括嵌入式微处理器/微控制器（MCU/MPU）的选型原则与发展趋势，嵌入式存储器（ROM、RAM、Flash等）的类型与作用，嵌入式输入/输出（I/O）接口（GPIO、UART、SPI、I2C、ADC、DAC等）的功能与应用。 嵌入式系统的应用领域： 广泛列举并分析嵌入式系统在消费电子、工业控制、汽车电子、医疗设备、物联网（IoT）、智能家居、航空航天等领域的典型应用案例，展现嵌入式技术无处不在的生命力。 嵌入式系统发展历程与未来趋势： 回顾嵌入式系统从萌芽到蓬勃发展的关键节点，展望物联网、人工智能、边缘计算等前沿技术如何深刻影响嵌入式系统的未来发展方向。 第二章：嵌入式微控制器（MCU）体系结构与原理 CPU核心： 介绍RISC与CISC指令集架构的差异，ARM、MIPS、AVR等主流MCU核的特点和应用场景。深入讲解CPU的工作原理，包括指令周期、流水线技术、中断处理机制。 存储器体系： 详细解读片上存储器（SRAM、Flash、EEPROM）的结构、读写机制、容量与速度的权衡。讲解外部存储器接口（如SDRAM、NAND Flash）的连接与访问方式。 外设接口： 逐一剖析通用输入/输出（GPIO）的配置与控制，异步串行通信接口（UART/USART）的通信协议与实现，同步串行通信接口（SPI、I2C）的通信时序与应用，模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）的工作原理与参数解读。 定时器/计数器： 讲解定时器的工作模式（定时、计数、PWM生成等），以及如何利用定时器实现精确延时、频率测量、脉冲输出等功能。 中断控制器： 深入理解中断的概念、优先级、嵌套以及中断服务程序的编写，学会如何高效响应外部事件。 DMA控制器： 讲解直接内存访问（DMA）的工作原理，以及如何利用DMA提高数据传输效率，减轻CPU负担。 第三章：嵌入式实时操作系统（RTOS） RTOS核心概念： 详细解释任务（Task）、任务调度（调度算法如轮转、优先级、时间片轮转）、进程间通信（IPC：信号量、互斥锁、消息队列、事件标志等）、内存管理（静态分配、动态分配、内存池）等 RTOS 的基石概念。 主流RTOS介绍： 重点介绍FreeRTOS、RT-Thread、uCOS等在嵌入式领域广泛应用的RTOS，分析它们的特点、优势、劣势以及适用场景。 RTOS移植与配置： 讲解如何将RTOS移植到目标硬件平台，包括硬件抽象层（HAL）的编写、内核配置、驱动程序的集成。 任务创建与管理： 演示如何创建、挂起、恢复、删除任务，以及任务优先级、时间片等参数的设置。 IPC机制实战： 通过丰富的代码示例，展示如何利用信号量、互斥锁、消息队列等机制实现多任务间的数据交换与同步，解决竞态条件和死锁问题。 实时性与稳定性保障： 探讨如何通过合理的任务划分、优先级设计、资源管理来保证嵌入式系统的实时性和稳定性。 第二部分：嵌入式软件开发技术 本部分将聚焦嵌入式软件开发的具体流程和关键技术，带领读者进入实际编码的世界。 第四章：嵌入式C语言编程进阶 指针与内存管理： 深入讲解指针的各种用法（数组指针、函数指针、结构体指针等），理解内存分配（栈、堆、静态存储区）与释放，以及野指针、内存泄漏等常见问题的规避与解决。 位操作与宏定义： 掌握位操作的技巧，用于直接控制硬件寄存器，理解预处理器指令（define, ifdef, ifndef等）在嵌入式开发中的重要作用。 结构体与联合体： 学习如何定义和使用结构体与联合体来组织和访问硬件寄存器、数据结构，以及它们在节省内存和提高效率方面的应用。 嵌入式开发中的数据类型： 关注不同数据类型（char, short, int, long, float, double等）在嵌入式平台上的大小和表现，以及如何根据实际需求选择合适的数据类型。 高效代码编写技巧： 强调代码的效率、可读性和可维护性，介绍循环优化、函数调用优化、避免不必要的计算等方法。 第五章：嵌入式硬件接口驱动开发 GPIO驱动： 讲解如何通过配置寄存器，实现LED闪烁、按键输入检测、开关量控制等基本功能。 UART/USART通信驱动： 实现嵌入式设备与PC或其他设备之间的串口通信，用于调试、数据传输等。 SPI/I2C通信驱动： 驱动SPI/I2C接口的传感器、存储器、显示屏等外设，如LCD、OLED、EEPROM、加速度计、陀螺仪等。 ADC/DAC驱动： 读取模拟传感器数据（如温度、湿度、光照强度），输出模拟信号控制执行器。 定时器驱动： 实现精确的延时，周期性地执行任务，生成PWM信号控制电机速度或LED亮度。 中断服务程序（ISR）编写： 编写高效、简洁的中断服务程序，及时响应外部事件，处理紧急任务。 第六章：嵌入式Linux开发基础 Linux内核与文件系统： 介绍Linux内核的基本架构，理解文件系统的概念（rootfs、initramfs），以及嵌入式Linux系统的启动流程。 交叉编译环境搭建： 讲解如何搭建适用于目标嵌入式平台的交叉编译工具链，包括GCC、Binutils、Glibc等。 U-Boot引导程序： 介绍U-Boot的功能、配置与使用，学习如何通过U-Boot加载Linux内核和根文件系统。 Linux设备驱动开发入门： 学习Linux内核模块（LKM）的概念，编写简单的字符设备驱动、块设备驱动，理解平台设备、总线设备等模型。 嵌入式Linux应用程序开发： 使用C/C++编写用户空间应用程序，与Linux系统进行交互，调用系统API。 嵌入式Linux系统调试： 介绍GDB、Valgrind等调试工具在嵌入式Linux开发中的应用。 第三部分：嵌入式系统设计与工程实践 本部分将从系统整体设计的角度出发，探讨嵌入式系统的工程化开发流程和质量保证方法。 第七章：嵌入式系统硬件选型与设计 需求分析与系统架构： 如何根据项目需求，确立系统的功能、性能、功耗、成本等关键指标，并设计出合理的系统架构。 主控芯片选型： 依据应用场景，选择合适的MCU或MPU，考虑其性能、接口、功耗、成本、生态支持等因素。 外围电路设计： 讲解电源管理电路、时钟电路、复位电路、调试接口电路（JTAG/SWD）、传感器接口电路、通信接口电路等关键模块的设计原则与注意事项。 PCB设计基础： 介绍PCB布局、布线、信号完整性、电源完整性等基本概念，以及EMC/EMI的设计考虑。 硬件调试与验证： 使用万用表、示波器、逻辑分析仪等工具对硬件进行调试，验证电路功能和性能。 第八章：嵌入式软件工程化开发流程 版本控制系统（Git）： 强调Git在团队协作、代码管理、版本回溯中的重要性，学习基本Git命令。 Makefile与构建系统： 讲解Makefile的编写，理解如何使用make命令自动化编译、链接过程，以及CMake等更高级的构建工具。 代码风格与规范： 遵循业界通用的代码风格指南，编写易于阅读、维护和重用的代码。 单元测试与集成测试： 学习如何编写单元测试来验证模块功能，进行集成测试以确保模块间的协同工作。 嵌入式系统调试技术： 深入探讨各种调试方法，包括打印调试、断点调试（JTAG/SWD）、逻辑分析仪、内存分析等，以及在不同阶段的调试策略。 第九章：嵌入式系统安全与可靠性 嵌入式系统安全基础： 介绍嵌入式系统面临的安全威胁（如物理攻击、软件漏洞、通信窃听等），以及基本的安全防护措施（如加密、认证、访问控制）。 固件安全： 讲解固件加密、防篡改、安全启动等技术。 通信安全： 探讨TLS/SSL在嵌入式设备通信中的应用，以及MQTT等物联网安全协议。 系统可靠性设计： 分析系统故障模式，设计冗余、容错、自恢复机制，提高系统的稳定性和可用性。 功耗优化与管理： 介绍低功耗模式（Sleep, Deep Sleep等）的应用，以及硬件和软件协同优化功耗的技术。 第十章：典型嵌入式项目实战 智能家居控制系统： 以一个简化的智能灯控系统为例，讲解如何整合MCU、传感器、通信模块（如Wi-Fi, Bluetooth），并利用RTOS或嵌入式Linux实现远程控制和自动化。 工业数据采集与监控： 设计一个基于STM32的工业数据采集节点，通过传感器读取数据，并通过RS485或以太网上传至上位机。 物联网设备开发： 构建一个简单的物联网传感器节点，连接网络，将采集到的环境数据发送到云平台。 嵌入式Linux上位机应用： 针对上述的工业或物联网应用，开发一个简单的嵌入式Linux应用程序，用于本地数据展示、控制或与云平台交互。 本书特色 循序渐进的结构： 从基础概念到高级技术，从理论讲解到实践应用，层层递进，易于读者理解和掌握。 丰富的代码示例： 大量提供实用的 C/C++ 代码片段和完整的工程示例，帮助读者将理论知识转化为实际操作。 贴近实际的案例： 引入多个具有代表性的嵌入式系统项目案例，让读者在解决实际问题的过程中学习和成长。 全面而深入： 涵盖嵌入式系统设计与开发的各个关键环节，为读者构建一个完整的知识体系。 面向未来： 关注物联网、人工智能等前沿技术在嵌入式领域的应用，帮助读者把握行业发展趋势。 目标读者 希望系统学习嵌入式系统设计与开发的在校学生（计算机、电子、自动化等专业）。 希望提升嵌入式系统开发技能的初中级嵌入式工程师。 对嵌入式技术感兴趣，希望转行进入嵌入式领域的IT从业人员。 需要了解嵌入式系统原理和应用的其他技术人员。 通过阅读本书，读者将能够深入理解嵌入式系统的核心原理，熟练掌握嵌入式软件开发的关键技术，并具备独立设计和开发嵌入式系统的能力，为在快速发展的嵌入式领域中取得成功奠定坚实的基础。

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这本书的参考文献列表非常扎实，看得出作者在学术研究方面下了很大功夫，引用的都是非常经典和权威的资料。然而，这似乎也解释了为什么书中的内容偏向于理论的构建而非实战的经验传授。例如，书中在讨论嵌入式安全时，花费了大量的篇幅去解释密码学算法的数学原理和形式化验证的意义，这当然是重要的理论基石。但对于一个实际项目中的应用工程师来说，我们更迫切需要知道的是，如何在现有的硬件安全模块（如TEE或PUF）上正确地集成密钥管理流程，以及如何应对常见的侧信道攻击的工程实践。书中对于“如何调试”的描述非常少，更多的是“这个设计应该是什么样子”。我在寻找关于实际调试工具（如JTAG/SWD的深入使用技巧，逻辑分析仪的配置策略）的实战指导时，发现这些内容几乎付之阙如。它就像是一位理论物理学家写给另一位理论物理学家的论文合集，充满了严密的逻辑和精确的定义，但对于在充满Bug和硬件限制的真实世界中挣扎的工程师来说，它提供的“急救包”远不如一本详尽的错误排查手册来得实用。这本书更像是一份完美的“考试标准”，而不是一本能让你在周五晚上解决生产线问题的“生产工具书”。

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拿到这本书后，我最大的感受是，它对“设计”二字的理解非常透彻，但可能不太适合我这种偏向于应用层软件开发的工程师。我本来期望能在书中找到一些关于人机界面（HMI）设计、用户体验（UX）在嵌入式设备中如何落地的章节，或者至少是关于现代嵌入式软件架构模式（比如MVVM在嵌入式中的应用尝试）的讨论。然而，这本书的内容似乎完全聚焦于硬件与软件的交界点，特别是对硬件抽象层（HAL）和设备驱动程序的深入挖掘。例如，在介绍存储器管理时，它花了大量的篇幅讲解MMU（内存管理单元）的工作原理和页表结构，这对于我日常写上层业务逻辑代码的人来说，显得过于底层和晦涩。我更关注的是如何用更简洁的代码实现功能，如何保证代码的可移植性和可维护性。书中对中断延迟和上下文切换开销的分析极为细致，图表和公式的密度非常高，阅读起来需要不断地查阅前置知识。它更像是一本面向系统架构师或底层驱动专家的教科书，它假设你已经完全掌握了C语言的精髓，并且对数字电路和汇编语言有着扎实的理解。如果你想知道如何设计一个高效的电源管理模块或者优化启动时间，这本书可能提供了理论基础，但如果你想知道如何用最新的GUI库快速搭建一个漂亮的界面，这本书的价值可能就不那么明显了。

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我是一个偏向于快速原型开发和快速迭代的工程师，对于追求极致性能优化和极限资源利用率的场景兴趣不大。因此，这本书给我的压力感是相当大的。它里面那些对时钟域交叉、跨平台编译器的细节处理，以及对各种通信协议（如CAN FD、EtherCAT）在底层实现层面的分析，对我来说，很多都属于“过度工程”的范畴，或者说，是我短期内用不到的知识储备。这本书的行文风格非常严谨，几乎没有幽默感或者生动的比喻，全篇充斥着规范术语和技术定义。我试图从中寻找一些关于敏捷开发在嵌入式项目管理中如何应用的实践案例，或者如何利用现代化的工具链（如Docker、云端编译服务）来加速嵌入式开发的经验分享。但很遗憾，这些与“流程”和“工具”相关的内容几乎是空白的。它专注于“做什么”和“为什么这么做”的底层原理，而忽略了“如何更有效地组织工作”的实践方法论。对于那些追求效率和落地速度的团队来说，这本书的理论深度可能会成为拖慢进度的因素，因为它要求读者先建立起一个近乎完美的理论模型，然后才去尝试构建系统，这与敏捷思想背道而驰。

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从这本书的章节布局来看，它似乎是将某一特定认证考试的知识点硬性拼凑成册，而不是根据逻辑上的学习曲线来组织的。比如，在讲解了操作系统内核的关键数据结构之后，紧接着就跳到了复杂的硬件调试技巧，然后再回头去深入讲解中断向量表的设计，这种跳跃性让我的学习思路总是需要重新组织。我更喜欢那种层层递进的结构，先建立完整的系统视图，再逐步深入到细节。这本书在描述外部设备接口时，更多地是罗列了各种标准的参数和时序要求，但缺少了对于“为什么选择这个标准而不是那个”的深入分析。例如，在USB协议的描述中，它详细列出了端点配置的枚举过程，但没有提供一个关于如何在资源极其受限的MCU上实现一个轻量级USB Host栈的权衡分析。它提供的知识是全面的，但缺乏批判性的视角和设计上的取舍讨论。对于我这种需要做技术选型决策的人来说，我更需要的是不同技术路线的优缺点对比，而不是纯粹的技术规格说明书的重述。这本书更像是一本字典，你需要知道自己要查什么词才能找到信息，而不是一本小说，可以从头读到尾。

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这本书的封面设计得非常有力量感，那种深沉的蓝和锐利的线条，一看就知道是给硬核工程师看的。我本来是想找一本入门级的嵌入式概念普及读物，结果拿到手才发现，这简直就是一本“武功秘籍”。它完全没有那种对新手友好的引导，开篇就直接跃入了复杂的时序图和寄存器配置的细节深处。我花了整整一个下午，试图理解其中关于实时操作系统（RTOS）调度算法的那个章节，那些关于优先级反转、死锁避免的理论描述，每一个词都像是一块坚硬的基石，需要极大的专注力才能消化。它更像是一份为已经身经百战的老兵准备的“查漏补缺指南”，而不是给初学者铺设平坦大道的“入门阶梯”。比如，书中对总线仲裁协议的探讨，涉及到了仲裁前后的总线利用率变化曲线分析，这已经超越了我目前工作环境中对基础嵌入式知识的需求。我更希望看到一些关于如何选择合适微控制器系列的实用建议，或者基于不同应用场景（如物联网、汽车电子）的架构选型对比。但这本书似乎完全跳过了这些“软”技能的探讨，专注于最核心、最底层的硬核技术细节的精准描述，适合那些需要通过某种专业认证考试，或者想要深入钻研底层固件优化到极致的人士。它是一把锋利的解剖刀，而不是一把多功能的瑞士军刀。

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