具体描述
本书正是针对嵌入式课程中的实验环节，从实用的角度出发，分别为嵌入式接口、实时操作系统uCOS—Ⅱ和嵌入式Linux操作系统等理论课程提供相应的配套实验，同时附有部分原理图和实验代码，使得本书不仅可以作为上机实验的实验指导书，同时也可以作为相关理论学习的参考书。 编者从事计算机教学工作多年，同时一直负责基于ARM微处理器系列的科研项目的开发和设计工作。在编写本教材的过程中，精选实验内容，力求符合从事嵌入式系统开发初学者的需求特点，做到概念清晰，理论联系实际。在叙述方法上，力求由浅入深、通俗易懂，以使读者能在较短的时间内掌握相关知识，达到事半功倍的效果。 本书可作为高等院校相关专业的高年级学生和研究生的专业实验教材，也可作为从事嵌入式系统开发和设计人员的参考用书。
《嵌入式系统设计导论：硬件、软件与应用》 图书简介 本书旨在为读者提供一个全面而深入的嵌入式系统设计导论，涵盖从基础概念到高级应用的各个层面。本书并非一本具体的实验教程，而是侧重于阐述嵌入式系统设计的核心原理、关键技术以及广泛的应用领域，为有志于投身嵌入式开发领域的研究者、工程师和学生提供坚实的理论基础和开阔的视野。 第一章：嵌入式系统概述 本章将引出嵌入式系统的基本概念，剖析其与通用计算系统的本质区别。我们将探讨嵌入式系统所具备的“嵌入性”、“专用性”、“实时性”和“面向对象”等关键特性，并分析这些特性对其设计和实现提出的独特挑战。通过对不同类型嵌入式系统的分类，如面向特定功能的微控制器系统、面向实时控制的工业自动化系统、面向网络通信的嵌入系统以及面向人机交互的消费电子产品等，读者将对嵌入式系统的多样性和广泛性有一个初步的认识。此外，本章还将介绍嵌入式系统在现代社会中的重要地位，以及其在物联网、智能家居、汽车电子、医疗设备、工业控制等领域扮演的关键角色。我们将简要回顾嵌入式系统的发展历程，勾勒出其技术演进的脉络，为后续章节的学习奠定基础。 第二章：微控制器（MCU）体系结构与工作原理 微控制器是嵌入式系统的心脏，本章将深入剖析其核心结构和工作机制。我们将从CPU（中央处理器）的角度出发，探讨其指令集架构（ISA）、流水线技术、中断处理机制以及各种工作模式（如低功耗模式）。随后，我们将详细介绍嵌入式系统中常见的存储器类型，包括ROM（只读存储器）、RAM（随机存取存储器）、Flash存储器以及EEPROM（电可擦除可编程只读存储器）等，分析它们在嵌入式系统中的作用和特点。本章还将重点讲解各类外围设备接口，如通用输入输出（GPIO）、定时器/计数器、模数转换器（ADC）、数模转换器（DAC）、串行通信接口（UART、SPI、I2C）以及并行接口等，阐述它们如何与外部世界进行交互，实现数据的采集和控制。通过对典型微控制器架构的介绍，例如ARM Cortex-M系列，读者将能更具体地理解这些抽象的概念。 第三章：嵌入式软件开发基础 嵌入式软件是实现嵌入式系统功能的灵魂，本章将系统介绍嵌入式软件的开发流程和关键技术。我们将首先探讨嵌入式软件的开发环境，包括交叉编译工具链、调试器以及集成开发环境（IDE）的重要性。随后，我们将深入讲解嵌入式C语言编程，强调其在资源受限环境下的高效性和可靠性，并介绍一些针对嵌入式开发的C语言技巧和陷阱。中断服务程序（ISR）是嵌入式系统中处理外部事件的关键，本章将详细阐述中断的产生、响应、处理和返回过程，以及如何编写高效可靠的中断处理程序。我们还将介绍嵌入式系统中的常用数据结构和算法，以及在资源受限环境下优化代码性能的方法。此外，本章还会初步涉及嵌入式操作系统（RTOS）的概念，为后续章节的学习做铺垫。 第四章：嵌入式实时操作系统（RTOS） 实时操作系统是构建复杂嵌入式系统的基石，本章将对RTOS进行全面而深入的讲解。我们将从实时性的定义出发，区分硬实时和软实时，并分析RTOS在保证系统实时性方面的核心作用。本章将重点介绍RTOS的核心概念，如任务（线程）的概念、任务状态（就绪、运行、阻塞、终止）以及任务的调度策略（静态优先级调度、动态优先级调度、时间片轮转等）。我们还将深入讲解RTOS提供的通信机制，包括信号量、互斥锁、消息队列、事件标志组等，分析它们在实现任务间协同工作和资源共享方面的作用。此外，本章还会探讨RTOS的内存管理机制、中断管理以及定时器服务等，并介绍一些主流的RTOS，如FreeRTOS、RT-Thread等，展示它们在实际应用中的特点和优势。 第五章：嵌入式系统通信协议 嵌入式系统往往需要与其他设备或系统进行通信，本章将聚焦于各类重要的嵌入式通信协议。我们将从物理层和数据链路层出发，介绍串行通信接口（UART、SPI、I2C）的工作原理和应用场景，阐述它们如何实现点对点或多主从设备之间的数据交换。随后，我们将深入讲解网络通信协议，包括TCP/IP协议栈，并详细介绍HTTP、MQTT、CoAP等在嵌入式物联网领域广泛应用的协议，分析它们的通信模式、数据格式和应用场景。此外，本章还会涉及一些工业现场总线协议，如CAN总线、Modbus等，介绍它们在工业自动化和控制系统中的重要性。通过对不同通信协议的理解，读者将能够设计和实现灵活多样的嵌入式系统互联方案。 第六章：嵌入式系统硬件设计基础 本章将从硬件层面探讨嵌入式系统的设计要素。我们将介绍嵌入式系统硬件设计的流程，包括需求分析、原理图设计、PCB（印刷电路板）布局布线以及硬件调试。我们将重点讲解关键的硬件组件选型，如微控制器、存储器、传感器、执行器、电源管理芯片以及各种接口芯片等，并分析不同组件的选型原则和考量因素。此外，本章还将涉及嵌入式系统的电源设计，包括低功耗设计技巧和电源稳定性分析，以及嵌入式系统的抗干扰设计，包括电磁兼容性（EMC）和电磁干扰（EMI）的防护措施。读者将了解到如何从零开始构建一个功能完善的嵌入式硬件平台。 第七章：嵌入式系统应用开发案例分析 为了帮助读者更好地理解嵌入式系统的设计和应用，本章将通过多个典型的应用案例进行深入分析。我们将选取在不同领域具有代表性的嵌入式系统项目，例如智能家居控制系统、汽车导航系统、工业数据采集与监控系统、可穿戴健康监测设备等。每个案例分析都将从系统需求、硬件选型、软件架构、关键技术实现以及系统集成等多个维度进行阐述。我们将聚焦于实际开发过程中遇到的挑战和解决方案，分析不同技术方案的优劣，并展示如何将前几章所学的理论知识融会贯通，最终实现一个功能完备、性能优越的嵌入式产品。通过这些案例，读者将能更直观地感受到嵌入式系统设计的魅力与复杂性。 第八章：嵌入式系统测试与调试 高质量的嵌入式系统离不开严格的测试和有效的调试。本章将系统介绍嵌入式系统的测试策略和方法。我们将从单元测试、集成测试到系统测试，详细阐述各个测试阶段的目标和内容。本章还将重点介绍嵌入式系统调试技术，包括使用仿真器、逻辑分析仪、示波器等硬件调试工具，以及软件调试技术，如断点设置、单步执行、变量监视等。我们将探讨如何进行嵌入式系统的性能测试和功耗分析，以及如何进行嵌入式系统的故障诊断和排除。通过掌握有效的测试与调试方法，读者将能够确保嵌入式系统的稳定性和可靠性。 第九章：嵌入式系统安全与可靠性 随着嵌入式系统在关键领域的应用日益广泛，安全性和可靠性变得至关重要。本章将深入探讨嵌入式系统的安全防护措施和可靠性设计。我们将从物理安全、软件安全和网络安全等多个角度，介绍常见的安全威胁，如代码注入、数据泄露、恶意攻击等，并讲解相应的防护技术，例如访问控制、加密解密、安全启动等。在可靠性方面，我们将讨论硬件的冗余设计、容错技术以及软件的鲁棒性设计，包括异常处理、错误检测与恢复机制。此外，本章还将介绍嵌入式系统在极端环境下的工作可靠性，以及相关的测试和验证方法。 第十章：嵌入式系统前沿技术与发展趋势 本章将展望嵌入式系统的未来发展方向，介绍当前和未来的前沿技术。我们将探讨人工智能（AI）在嵌入式系统中的应用，如边缘AI、机器学习在嵌入式设备上的部署。此外，我们还将关注物联网（IoT）技术的最新进展，包括5G通信在嵌入式系统中的应用、LPWAN（低功耗广域网）技术的发展以及云边协同架构。本章还将讨论嵌入式系统的智能化、微型化、异构化等发展趋势，并可能涉及一些新兴领域，如嵌入式图形图像处理、虚拟现实（VR）/增强现实（AR）在嵌入式设备上的实现等。通过对这些前沿技术的介绍，读者将能够把握嵌入式技术发展的脉搏，为未来的学习和研究指明方向。 总结 《嵌入式系统设计导论：硬件、软件与应用》是一本全面梳理嵌入式系统设计理论与实践的著作。本书通过系统化的章节安排，从基础概念到高级应用，从硬件到软件，从通信到安全，为读者构建了一个完整的嵌入式系统知识体系。本书并非提供具体的实验步骤，而是侧重于概念的理解、原理的剖析以及方法的阐述，旨在培养读者独立解决嵌入式系统设计问题的能力，激发其对嵌入式技术更深入的探索热情。本书适合作为高等院校计算机、电子信息、自动化等相关专业本科生和研究生的教材或参考书，也适用于嵌入式系统开发工程师、软硬件工程师以及对嵌入式技术感兴趣的广大技术爱好者。
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