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出版者:北京航空航天大學齣版社

作者:李剛

出品人:

頁數:333

译者:

出版時間:2006-7

價格:28.00元

裝幀:平裝

isbn號碼:9787810778237

叢書系列:

圖書標籤:

• 單片機
• 51單片機
• STC單片機
• 嵌入式係統
• C語言
• 實踐教程
• 電子製作
• 入門教程
• 硬件設計
• 程序設計

《嵌入式係統設計與實踐：從理論到硬件的深度探索》 內容簡介 本書旨在為讀者提供一套全麵且深入的嵌入式係統設計與實踐的知識體係，涵蓋從基礎理論、硬件選型、軟件開發到係統調試與優化的全過程。本書超越瞭單一微控製器平颱的局限，著眼於構建完整、健壯、高效的嵌入式解決方案，特彆關注現代嵌入式係統中不可或缺的實時性、網絡通信、低功耗管理以及高級算法部署等關鍵技術。 第一部分：嵌入式係統基石與硬件平颱構建 本部分將係統地梳理嵌入式係統的基本架構、核心組件及其工作原理。我們首先深入講解數字電路基礎、微處理器（MPU）與微控製器（MCU）的架構差異，重點分析如Cortex-M/A係列處理器的流水綫、中斷機製和內存管理單元（MMU/MPU）的配置。 處理器內核深入解析： 詳細剖析指令集架構（ISA），包括RISC與CISC的權衡，以及如何通過編譯器優化代碼，實現指令級並行。 存儲器係統管理： 闡述SRAM、DRAM、Flash（NOR/NAND）的工作特性、訪問時序與刷新策略。重點討論緩存一緻性、虛擬內存（在MPU環境下）與物理內存的映射機製，為後續復雜操作係統移植打下基礎。 片上總綫與互連技術： 深入探討主流片上總綫協議，如AHB、APB、AXI/ACE，分析它們在係統帶寬分配、延遲控製和仲裁機製中的作用。我們將通過實例演示如何設計高效的數據路徑，避免總綫瓶頸。 外設接口的底層驅動： 不僅僅停留在API調用層麵，本書將帶領讀者深入理解通用異步收發器（UART）、SPI、I2C、CAN等通信協議的硬件寄存器級操作。例如，如何精確配置波特率發生器，如何處理DMA傳輸中的錯誤恢復流程。 電源管理與低功耗設計： 探討動態電壓和頻率調節（DVFS）、睡眠模式（Sleep/Deep Sleep）的功耗剖析，以及如何通過硬件電路設計（如LDO與DC-DC轉換器的選擇）來滿足特定應用場景的能效要求。 第二部分：嵌入式軟件開發與係統軟件層 本部分聚焦於支撐復雜嵌入式應用運行的軟件框架和操作係統技術。 C/C++在嵌入式中的高級應用： 深入探討C++在資源受限環境下的應用，包括對象模型開銷分析、模闆元編程在編譯期優化的實踐。同時，講解內存分配策略（如堆/棧管理、內存池）在嵌入式環境下的重要性。 實時操作係統（RTOS）原理與選型： 詳細對比FreeRTOS、Zephyr、RT-Thread等主流RTOS的內核機製。重點解析任務調度算法（如優先級繼承、輪轉、截止時間調度）、信號量、互斥鎖和消息隊列的設計與使用陷阱。我們將分析上下文切換的開銷，並提供性能調優的最佳實踐。 設備驅動程序設計： 教授如何編寫健壯、可重入的設備驅動，包括中斷服務程序（ISR）的編寫規範、延遲函數的處理、以及如何使用原子操作保證臨界區安全。通過一個復雜的傳感器驅動案例，展示異步數據采集和錯誤上報的完整流程。 嵌入式文件係統： 講解FAT、YAFFS、以及嵌入式專用的Log-structured File Systems (如JFFS2或UBIFS) 的原理。重點討論磨損均衡（Wear Leveling）和數據一緻性保護在閃存係統中的實現。 第三部分：網絡通信與數據安全 隨著物聯網（IoT）的發展，嵌入式設備的數據互聯和安全性變得至關重要。 嵌入式網絡協議棧： 深入剖析TCP/IP協議棧在嵌入式設備上的裁剪與優化。重點講解UDP在高實時性場景下的優勢與風險。對於資源受限設備，我們將介紹LwIP等輕量級協議棧的移植與配置技巧。 無綫通信技術棧： 涵蓋藍牙低功耗（BLE）的連接建立、數據包結構與功耗管理。對於Wi-Fi應用，分析其連接流程、電源管理（如Station Mode的Power Save機製）以及簡單的接入點（AP）配置。 嵌入式安全基礎： 介紹安全啓動（Secure Boot）的概念和流程，包括固件簽名驗證。探討數據加密與認證機製，如TLS/DTLS在嵌入式設備上的資源消耗分析與庫（如mbedTLS）的裁剪與部署。 第四部分：係統調試、性能分析與工具鏈 優秀的嵌入式工程師必須精通工具和方法論。本部分側重於實際問題解決和係統優化。 調試技術與硬件輔助： 詳細介紹JTAG/SWD接口的工作原理及其在斷點設置、寄存器查看、內存掃描中的應用。探討邏輯分析儀和示波器在底層時序問題排查中的作用。 性能剖析與內存泄漏檢測： 教授如何使用GDB的遠程調試功能進行代碼覆蓋率分析。講解嵌入式操作係統提供的性能分析工具（如FreeRTOS的Tracealyzer），以及如何利用內存保護單元（MPU）捕獲非法訪問。 版本控製與持續集成： 強調使用Git進行嵌入式項目的版本控製最佳實踐，包括子模塊管理和分支策略。介紹Jenkins/GitLab CI等工具在嵌入式固件自動編譯、單元測試和部署流程中的集成方法。 係統級仿真與建模： 介紹使用QEMU或硬件在環（HIL）測試平颱進行係統級驗證的方法，以加速開發周期並降低硬件依賴。 通過本書的學習，讀者將能夠獨立完成從概念設計到原型實現，再到最終産品優化的完整嵌入式項目，掌握解決復雜實時性、資源約束和互聯互通挑戰的核心能力。

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