凌阳SPMC65系列单片机原理及应用系统设计与开发 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:北京航空航天大学出版社

作者:杨存祥

出品人:

页数:278

译者:

出版时间:2007-6

价格:25.00元

装帧:

isbn号码:9787811240375

丛书系列:

图书标签:

• 单片机
• SPMC65
• 凌阳
• 原理与应用
• 系统设计
• 嵌入式系统
• C语言
• 开发
• 电子工程
• 微控制器

《嵌入式系统设计精要与实践》 内容概述 本书深入探讨了嵌入式系统的设计原理、开发流程以及实际应用，旨在为读者提供一个全面而深入的理解框架。全书围绕着嵌入式系统这一核心概念展开，从其基础理论到复杂的工程实践，层层递进，力求让读者掌握构建、调试和优化嵌入式系统的关键技能。 第一部分：嵌入式系统基础理论 本部分将系统性地介绍嵌入式系统的基本构成和核心概念。 第一章：嵌入式系统概述 1.1 什么是嵌入式系统？ 定义与特点：嵌入式系统是一种为特定应用目的而设计的计算机系统，通常集成在更大的设备中，具备专用性、实时性、可靠性、低功耗等特性。 与通用计算机的区别：强调其专用性、紧凑性、成本效益以及与物理世界的紧密交互。 发展历程与趋势：简述嵌入式系统的演进，从早期的简单控制器到如今的智能化、网络化设备。 1.2 嵌入式系统的组成 硬件层：处理器（CPU）、存储器（RAM, ROM, Flash）、输入/输出设备（I/O）、外围接口（UART, SPI, I2C, USB, Ethernet等）、传感器、执行器等。 软件层：嵌入式操作系统（RTOS）、驱动程序、中间件、应用软件。 硬件与软件的协同工作：阐述硬件平台如何支撑软件运行，软件如何驱动硬件实现功能。 1.3 嵌入式系统的应用领域 消费电子：智能手机、平板电脑、数码相机、家用电器。 工业控制：自动化生产线、机器人、PLC。 汽车电子：ECU、车载信息娱乐系统、ADAS。 医疗设备：监护仪、诊断设备、可穿戴健康设备。 通信设备：路由器、交换机、基站。 物联网（IoT）：智能家居、智慧城市、工业物联网。 第二章：嵌入式微处理器与微控制器 2.1 微处理器（MPU）与微控制器（MCU） 定义与核心区别：MPU通常指CPU核心，需要外部存储器和外设；MCU则将CPU、存储器和I/O集成在一个芯片内。 架构对比：RISC与CISC架构的特点及在嵌入式领域的应用。 常见处理器系列介绍：ARM、MIPS、x86等系列在嵌入式领域的应用概况。 2.2 MCU核心部件详解 CPU核心：指令集、流水线、中断机制。 存储器系统：Flash（程序存储）、SRAM（数据存储）、EEPROM（配置存储）。 I/O端口：通用输入/输出（GPIO）的设计与使用。 定时器/计数器：功能、工作模式、应用场景（ PWM生成、脉冲测量）。 中断控制器：中断向量、中断优先级、中断服务程序（ISR）的设计。 通信接口：UART、SPI、I2C、CAN、USB等接口的工作原理、协议和实际应用。 2.3 典型MCU架构分析 以一个虚构的、代表性的MCU系列为例，深入剖析其各功能模块的内部结构、寄存器配置和工作流程。重点讲解如何通过配置寄存器来实现特定功能。 第三章：嵌入式软件开发基础 3.1 嵌入式软件架构 裸机编程：直接操作硬件，无操作系统支持。 实时操作系统（RTOS）：多任务、实时调度、进程/线程管理、同步与通信机制（信号量、互斥锁、消息队列）。 中间件：提供更高层次的服务，如文件系统、网络协议栈。 3.2 开发工具链 交叉编译：为何需要交叉编译，交叉编译器的作用。 集成开发环境（IDE）：介绍典型IDE的功能（代码编辑、编译、调试、仿真）。 调试器与仿真器：硬件调试器（JTAG, SWD）、软件仿真器、逻辑分析仪、示波器的作用。 3.3 C语言在嵌入式开发中的应用 位操作与内存模型：高效利用硬件资源。 指针与地址映射：直接访问硬件寄存器。 嵌入式C语言的特点：宏定义、内联函数、volatile关键字、const关键字。 结构体与联合体：数据封装与灵活使用。 3.4 汇编语言的角色 汇编语言的必要性：底层硬件访问、性能优化、中断处理。 汇编与C语言的混合编程。 第二部分：嵌入式系统硬件设计与调试 本部分将聚焦于嵌入式系统的硬件设计流程、关键模块以及调试方法。 第四章：嵌入式系统硬件设计流程 4.1 系统需求分析与规格制定 功能性需求、性能需求、功耗需求、成本需求、可靠性需求。 硬件平台选型：根据需求选择合适的微处理器/微控制器、存储器、外围芯片。 4.2 原理图设计 核心芯片选型与数据手册解读。 电源设计：电源轨、稳压器、滤波电路。 复位与时钟电路：晶振、复位IC、时钟分频。 存储器接口设计：地址线、数据线、控制线连接。 I/O接口设计：GPIO、通信接口（UART, SPI, I2C等）的电气连接。 人机交互接口：按键、LED、显示屏的连接。 传感器与执行器接口。 PCB设计规则简介：信号完整性、电源完整性、电磁兼容性（EMC）考虑。 4.3 PCB布局与布线 元器件布局原则：关键元器件、信号流向、散热考虑。 布线原则：信号线长度、宽度、间距、过孔。 电源层与地层设计。 差分信号处理。 4.4 硬件调试 焊接与检查：通电前的静态检查。 电源测试：各供电轨电压是否正常。 时钟测试：示波器测量时钟信号。 复位测试：观察复位信号。 I/O端口测试：通过GPIO读写验证。 通信接口测试：使用逻辑分析仪、示波器抓取协议数据。 JTAG/SWD调试：连接硬件调试器进行在线调试。 第五章：嵌入式系统常用接口与外设 5.1 通信接口详解 UART（通用异步收发传输器）：异步通信原理、波特率、数据位、停止位、校验位、RS-232/RS-485标准。 SPI（串行外设接口）：同步通信原理、主从模式、时钟极性与相位（CPOL/CPHA）、通信速率。 I2C（集成电路互联总线）：主从模式、地址机制、仲裁机制、ACK/NACK。 CAN（控制器局域网）：差错检测与容错、多主总线、帧格式。 USB（通用串行总线）：主机/设备模式、速度等级、枚举过程、HID、CDC等类。 Ethernet：MAC/PHY层、TCP/IP协议栈在嵌入式中的应用。 5.2 存储器接口 NOR Flash与NAND Flash：读写时序、擦写特性、ECC校验。 SDRAM/DDR SDRAM：接口时序、刷新机制、与CPU的交互。 EEPROM：存储特性、读写操作。 5.3 模拟信号接口 ADC（模数转换器）：采样率、分辨率、参考电压、工作模式、典型应用（传感器数据采集）。 DAC（数模转换器）：分辨率、输出范围、典型应用（音频、控制信号输出）。 PWM（脉冲宽度调制）：生成可变占空比的方波信号，应用于电机控制、LED亮度调节。 5.4 其他常用外设 GPIO：灵活配置为输入/输出，上拉/下拉电阻。 Real-Time Clock (RTC)：实时时钟芯片，提供时间日期功能。 Watchdog Timer：硬件看门狗，防止程序死锁。 第三部分：嵌入式系统软件开发与应用 本部分将深入探讨嵌入式系统的软件开发流程、RTOS的使用以及具体的应用案例。 第六章：嵌入式操作系统（RTOS） 6.1 RTOS核心概念 任务（Task）/线程（Thread）：概念、创建、挂起、恢复。 调度器（Scheduler）：任务调度的算法（优先级调度、时间片轮转等）。 任务状态：就绪、运行、阻塞、挂起。 中断与任务：中断服务程序（ISR）与任务的交互。 6.2 RTOS对象与同步机制 信号量（Semaphore）：计数信号量、二值信号量，用于资源控制。 互斥锁（Mutex）：解决临界区资源访问冲突。 消息队列（Message Queue）：任务间传递数据。 事件标志（Event Flags）：任务间事件通知。 软件定时器：周期性或一次性执行回调函数。 6.3 典型RTOS介绍 FreeRTOS：广泛应用的开源RTOS，讲解其API和配置。 RT-Thread：国产RTOS，分析其内核和组件。 RTOS在嵌入式系统中的优势：提高系统并发性、实时性、可维护性。 6.4 RTOS应用实例 多传感器数据采集与处理。 网络通信任务与应用任务的协同。 用户界面任务与后台处理任务的分离。 第七章：嵌入式设备驱动程序开发 7.1 驱动程序的作用与层级 硬件抽象层（HAL）。 低层驱动（Low-level Driver）。 中层驱动（Mid-level Driver）。 高级驱动（High-level Driver）。 7.2 GPIO驱动开发 寄存器映射与操作。 输入/输出配置。 中断触发。 7.3 UART驱动开发 串口初始化（波特率、数据位等）。 发送与接收函数。 中断驱动的收发。 DMA（直接内存访问）加速收发。 7.4 SPI/I2C驱动开发 主/从模式配置。 数据传输函数。 错误处理。 7.5 传感器驱动开发 根据传感器数据手册编写驱动。 传感器数据读取、校准与转换。 7.6 嵌入式Linux设备驱动开发简介（选讲） Linux内核模块机制。 设备树（Device Tree）。 Platform驱动、Character设备驱动、Block设备驱动。 第八章：嵌入式系统应用开发案例 8.1 智能家居控制系统 硬件平台选型（如基于ESP32或STM32）。 传感器（温湿度、光照、人体感应）数据采集。 执行器（继电器、电机）控制。 通信模块（Wi-Fi, Bluetooth）实现远程控制。 RTOS任务设计（数据采集任务、控制任务、通信任务）。 8.2 物联网数据采集终端 低功耗设计考量。 多传感器数据融合。 数据打包与加密。 通信协议（MQTT, CoAP）的应用。 数据上报与存储。 8.3 嵌入式Web服务器 TCP/IP协议栈的移植与配置。 Web服务器软件（如lwIP）的应用。 HTML、CSS、JavaScript的嵌入式实现。 通过Web界面控制硬件。 8.4 工业现场数据监控系统 CAN总线通信的应用。 实时数据采集与处理。 故障诊断与报警。 与上位机SCADA系统的通信。 第四部分：嵌入式系统进阶与展望 本部分将对嵌入式系统设计中的一些高级主题进行探讨，并展望未来的发展趋势。 第九章：嵌入式系统性能优化与可靠性设计 9.1 性能优化 代码优化：算法选择、循环展开、函数内联、汇编优化。 内存优化：数据结构选择、避免内存泄漏、使用内存池。 中断优化：中断响应时间、中断嵌套。 功耗优化：休眠模式、动态调频调压、外设按需启用。 9.2 可靠性设计 硬件冗余设计。 软件容错技术（异常处理、错误检测）。 看门狗定时器的高级应用。 电源稳定与滤波。 EMC/EMI设计。 固件升级（OTA）与版本管理。 第十章：嵌入式系统安全 10.1 嵌入式系统面临的安全威胁 物理攻击、软件漏洞、网络攻击、数据泄露。 10.2 安全设计原则 最小权限原则。 纵深防御。 安全审计。 10.3 加密与认证技术 对称加密（AES）与非对称加密（RSA）。 哈希函数（SHA）。 安全启动（Secure Boot）。 固件签名。 10.4 安全通信协议 TLS/SSL。 DTLS。 第十一章：嵌入式系统前沿技术与发展趋势 11.1 人工智能（AI）与嵌入式 边缘计算（Edge AI）。 TinyML。 神经网络在嵌入式设备上的部署。 11.2 5G与物联网 低时延、高带宽对嵌入式系统的影响。 海量连接的管理。 11.3 实时操作系统的新发展 微内核RTOS。 RTOS与Linux的融合。 11.4 嵌入式软件开发工具链的智能化 AI辅助代码生成。 自动化测试与调试。 附录 常用嵌入式术语表。 典型MCU数据手册阅读指南。 开发工具安装与配置指南。 参考资料与进一步阅读。 本书通过理论讲解、原理剖析、案例分析和实践指导相结合的方式，力求使读者不仅理解嵌入式系统的“是什么”，更能掌握“怎么做”，从而能够独立完成嵌入式系统的设计与开发。

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