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出版者:北航大学

作者:曹磊

出品人:

页数:295

译者:

出版时间:2007-7

价格:29.00元

装帧:

isbn号码:9787810777629

丛书系列:

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现代电子系统开发的基石：嵌入式系统原理、设计与应用 本书旨在为读者构建一个坚实而全面的嵌入式系统知识体系，深度解析其核心原理，引领读者掌握从概念到实现的完整设计流程，并展示其在各个前沿领域的广泛应用。本书适合电子工程、计算机科学、自动化以及相关专业的学生、研究人员，以及对嵌入式系统开发有浓厚兴趣的行业从业者。 第一部分：嵌入式系统基础理论与架构 本部分将为读者奠定坚实的理论基础，帮助理解嵌入式系统的本质和构成要素。 第一章：嵌入式系统概论 定义与特征： 深入探讨嵌入式系统的定义，强调其“嵌入式”的特性，即作为更大系统的一部分，为特定功能而设计。分析嵌入式系统的关键特征，如高可靠性、实时性、低功耗、小体积、专用性和智能化等，并结合实际案例说明这些特征的重要性。 发展历程与趋势： 回顾嵌入式系统的发展历程，从早期的专用控制器到如今高度集成的SoC（System on Chip）。展望未来发展趋势，如物联网（IoT）的普及、人工智能（AI）在嵌入式领域的应用、边缘计算的兴起以及更高级别的安全性和互联性需求。 嵌入式系统的分类： 根据不同的标准对嵌入式系统进行分类，例如按处理能力（微控制器、微处理器、DSP）、按应用领域（消费电子、工业控制、医疗设备、汽车电子）以及按实时性要求（硬实时、软实时）。 典型嵌入式系统实例分析： 以生活中常见的嵌入式设备为例，如智能手机、数码相机、家用电器、汽车电子控制单元等，剖析其内部的嵌入式系统构成，帮助读者建立直观的理解。 第二章：嵌入式微处理器与微控制器 处理器架构基础： 介绍RISC（精简指令集计算）和CISC（复杂指令集计算）架构的基本原理，以及它们在嵌入式处理器中的应用。深入讲解流水线、缓存、分支预测等提高处理器性能的关键技术。 微处理器（MPU）与微控制器（MCU）的比较： 详细对比MPU和MCU在结构、功能、外设集成度、功耗、成本等方面的差异，以及它们各自适用的应用场景。 指令集体系结构（ISA）： 介绍不同体系结构的指令集，如ARM、MIPS、x86等，重点分析ARM架构在嵌入式领域的广泛应用及其优势。 处理器核心组件： 讲解CPU（中央处理器）、内存控制器、中断控制器、DMA控制器、定时器、I/O接口等处理器核心组件的功能和工作原理。 片上系统（SoC）： 深入理解SoC的概念，介绍其如何将CPU、GPU、DSP、内存、各种外设接口以及其他功能模块集成在一颗芯片上，以及SoC带来的系统集成度和性能提升。 第三章：嵌入式存储器系统 存储器层次结构： 解释存储器层次结构（寄存器、缓存、主存、外存）的概念，以及它如何平衡访问速度、容量和成本。 内存类型： 详细介绍嵌入式系统中常用的内存类型，包括： RAM (Random Access Memory)： DRAM (动态随机存取存储器) 和 SRAM (静态随机存取存储器) 的工作原理、特点、优势和劣势。 ROM (Read-Only Memory)： PROM、EPROM、EEPROM、Flash Memory 的原理、特点、擦写方式以及在嵌入式系统中的应用。 存储器接口与访问： 讲解内存控制器的工作原理，CPU如何通过总线接口访问不同的存储器。介绍内存映射、地址空间等概念。 嵌入式存储器设计考虑： 讨论在嵌入式系统设计中选择和配置存储器时需要考虑的因素，如容量需求、访问速度、功耗、成本、可靠性以及数据持久性。 第四章：嵌入式系统总线与接口技术 总线基础： 介绍总线的基本概念，包括地址总线、数据总线和控制总线的功能。讲解总线仲裁、总线协议等。 常用嵌入式总线： 片内总线（On-chip Bus）： 如AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）家族（AHB, APB, AXI）在SoC设计中的应用。 片外总线（Off-chip Bus）： SDRAM接口、SPI、I2C、UART、USB、Ethernet等，介绍它们的工作原理、数据传输方式、应用场景和协议细节。 通用输入/输出（GPIO）： 详细介绍GPIO的工作原理、配置模式（输入、输出、上拉/下拉等）、应用，以及在驱动LED、读取按钮等方面的实际操作。 中断系统： 讲解中断的产生、中断向量、中断服务程序（ISR）的编写、中断优先级、中断控制器的工作原理，以及中断在提高系统响应速度和效率方面的重要性。 直接内存访问（DMA）： 介绍DMA的原理，以及它如何实现CPU与外设之间的高速数据传输，从而减轻CPU负担，提高系统吞吐量。 第五章：嵌入式实时操作系统（RTOS） 实时操作系统的概念与必要性： 解释实时操作系统的定义，强调其在满足实时性要求方面的独特性。分析为何许多嵌入式系统需要RTOS，以及RTOS能带来的优势。 RTOS核心功能： 深入讲解RTOS的核心功能，包括： 任务管理： 任务的创建、销毁、挂起、恢复、就绪、运行、阻塞等状态转换。 任务调度： 介绍常用的调度算法，如固定优先级调度、轮转调度、时间片轮转调度、优先级继承、优先级天花板等，并分析它们的特点和适用场景。 任务间通信与同步： 详细讲解信号量、互斥锁、消息队列、事件标志组、邮箱等同步与通信机制，以及它们在解决多任务协作中的作用。 中断处理： RTOS如何高效地管理中断，以及中断服务程序与任务之间的交互。 内存管理： 介绍RTOS的内存分配策略，如动态内存分配、静态内存分配等。 定时器管理： RTOS如何提供定时器服务，用于延时、周期性任务等。 常用的嵌入式RTOS： 介绍FreeRTOS、RT-Thread、uCOS、VxWorks等主流嵌入式RTOS的特点、优势，以及它们在不同应用领域的使用情况。 RTOS在嵌入式系统设计中的应用： 结合具体实例，演示如何使用RTOS来构建复杂的嵌入式应用，如多任务并发处理、实时数据采集与控制等。 第二部分：嵌入式系统开发流程与工具链 本部分将引导读者掌握嵌入式系统开发的完整流程，以及常用的开发工具。 第六章：嵌入式软件开发流程 需求分析与系统设计： 强调从用户需求出发，进行功能分解、模块划分、软硬件接口定义以及性能指标确定的重要性。 硬件选型与配置： 根据系统需求选择合适的微处理器/微控制器、存储器、外设芯片等，并进行详细的硬件配置。 嵌入式软件设计： 架构设计： 采用模块化、分层化的设计原则，提高代码的可读性、可维护性和可重用性。 编程语言选择： 讨论C语言在嵌入式开发中的主导地位，以及汇编语言、C++等在特定场景的应用。 驱动程序开发： 讲解如何编写与硬件直接交互的底层驱动程序，如GPIO驱动、UART驱动、SPI驱动等。 中间件开发： 介绍中间件的作用，如通信协议栈、文件系统、图形库等。 应用层开发： 基于驱动和中间件，实现系统的核心功能。 集成与调试： 讲解如何将各个软件模块集成在一起，并使用调试工具进行代码的查找和修复。 测试与验证： 介绍单元测试、集成测试、系统测试等，以及如何进行性能测试和可靠性测试。 部署与维护： 讨论固件的烧录、系统的现场部署以及后期维护和升级。 第七章：嵌入式开发工具链 交叉编译环境： 解释什么是交叉编译，以及为何需要交叉编译器。介绍GCC（GNU Compiler Collection）等常用的交叉编译工具。 集成开发环境（IDE）： 介绍Eclipse、Keil MDK、IAR Embedded Workbench、SEGGER Embedded Studio等主流IDE的功能，包括代码编辑器、编译器、调试器、工程管理等。 调试器（Debugger）： 详细讲解硬件调试器（如JTAG/SWD接口的调试器）和软件调试器（如GDB）的工作原理和使用方法，包括设置断点、单步执行、查看变量、内存监视等。 仿真器（Simulator）与模拟器（Emulator）： 介绍仿真器和模拟器在软件开发初期的作用，以及它们与真实硬件调试的区别。 代码版本控制系统： 强调Git等版本控制系统在团队协作和项目管理中的重要性。 静态代码分析工具： 介绍Clang-Tidy、Cppcheck等工具，用于检测代码中的潜在错误和不规范之处。 性能分析工具： 介绍如何使用Profiling工具来分析代码的执行效率，找出性能瓶颈。 第八章：嵌入式系统软件设计模式与实践 面向对象设计在嵌入式中的应用： 讨论如何将面向对象的设计思想应用于嵌入式软件开发，提高代码的模块化和可维护性。 状态机设计模式： 介绍状态机的概念、设计方法及其在控制逻辑复杂系统中应用。 发布-订阅模式： 讲解发布-订阅模式在事件驱动和解耦方面的优势。 生产者-消费者模式： 介绍生产者-消费者模式在数据流处理和资源共享中的应用。 中断驱动与轮询机制的比较： 分析两种机制的优缺点，以及在不同场景下的选择。 低功耗设计技术： 介绍各种低功耗技术，如休眠模式、时钟门控、动态电压频率调整（DVFS）等，以及如何在软件层面实现低功耗优化。 代码优化技巧： 探讨提高代码执行效率的常用技巧，如选择高效的算法、避免不必要的计算、利用硬件特性等。 第三部分：嵌入式系统应用领域与前沿技术 本部分将展示嵌入式系统在各个领域的应用，并探讨其未来的发展方向。 第九章：嵌入式通信与网络 串行通信： 详细讲解UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）、SPI（Serial Peripheral Interface）、I2C（Inter-Integrated Circuit）等通信协议的工作原理、电气特性、通信方式和应用场景。 并行通信： 介绍并行通信的基本原理，以及在特定场景下的应用。 网络通信协议： TCP/IP协议栈： 深入理解TCP/IP协议族的结构和各层协议（IP、TCP、UDP、HTTP、FTP等）的功能，以及它们在嵌入式网络通信中的应用。 inalámb通信协议： 介绍Wi-Fi、Bluetooth、Zigbee、LoRa等无线通信协议的特点、优势和应用。 嵌入式网络设备开发： 讲解如何开发嵌入式网络设备，如嵌入式Web服务器、嵌入式客户端等。 物联网（IoT）通信： 探讨MQTT、CoAP等物联网专属通信协议，以及它们在构建大规模物联网系统中的作用。 第十章：嵌入式系统在物联网（IoT）中的应用 IoT架构模型： 介绍典型的IoT架构，包括感知层、网络层、平台层和应用层。 传感器技术与数据采集： 讲解各种常用传感器的原理和应用，以及如何将传感器数据采集并传输到云端。 边缘计算： 探讨边缘计算的概念，以及它如何将计算能力下沉到靠近数据源的边缘设备，减少延迟，提高效率。 云平台集成： 介绍如何将嵌入式设备与AWS IoT、Azure IoT Hub、Google Cloud IoT等云平台进行集成，实现数据的存储、分析和可视化。 智能家居、智慧城市、工业物联网（IIoT）等应用案例分析： 深入分析这些领域的具体应用，展示嵌入式系统如何赋能智能化生活和工业自动化。 第十一章：嵌入式人工智能（Embedded AI） 人工智能基础回顾： 简要回顾机器学习、深度学习的基本概念。 嵌入式AI的挑战与机遇： 分析在资源受限的嵌入式环境中实现AI的挑战，如计算能力、内存、功耗等，以及AI为嵌入式系统带来的机遇。 常用嵌入式AI框架与工具： 介绍TensorFlow Lite、PyTorch Mobile、Caffe2等轻量级AI框架，以及相关开发工具。 模型优化与部署： 讲解模型量化、剪枝、知识蒸馏等技术，以减小模型尺寸和提高推理速度。 嵌入式AI应用实例： 如智能摄像头的人脸识别、语音助手、智能诊断、自动驾驶中的感知模块等。 第十二章：嵌入式系统安全性与可靠性 嵌入式系统面临的安全威胁： 分析恶意软件、数据泄露、拒绝服务攻击等针对嵌入式系统的安全风险。 安全设计原则： 介绍安全启动、安全存储、加密通信、访问控制等安全设计原则。 硬件安全模块（HSM）与信任根（Root of Trust）： 讲解硬件安全模块在提供安全硬件基础方面的作用。 安全更新与漏洞管理： 讨论嵌入式系统固件的安全更新机制以及漏洞的发现和修复。 系统可靠性设计： 介绍冗余设计、故障检测与恢复、错误校验（ECC）等提高系统可靠性的技术。 嵌入式系统认证与标准： 介绍相关安全和可靠性标准，如ISO 26262（汽车功能安全）、IEC 61508（功能安全）等。 第十三章：嵌入式系统在特定领域的深入应用 汽车电子： 介绍车载信息娱乐系统、ADAS（高级驾驶辅助系统）、ECU（电子控制单元）等。 医疗电子： 讲解可穿戴健康监测设备、医疗成像设备、植入式医疗设备等。 工业自动化： 介绍PLC（可编程逻辑控制器）、SCADA（监控和数据采集）系统、机器人控制等。 消费电子： 深入分析智能家电、智能穿戴设备、游戏机等的设计与实现。 航空航天与国防： 探讨嵌入式系统在飞行控制、导航、通信等关键领域的应用。 结语： 本书力求通过理论与实践相结合的方式，带领读者全面深入地掌握嵌入式系统的核心知识与技能。从基础原理的剖析，到开发流程的梳理，再到前沿技术的探索，本书旨在培养读者独立解决复杂嵌入式系统设计问题的能力，为他们投身于蓬勃发展的现代电子信息产业打下坚实的基础。

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