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出版者:CRC Pr I Llc

作者:Sanchez, Julio/ Canton, Maria P.

出品人:

页数:824

译者:

出版时间:2006-12

价格:$ 197.69

装帧:HRD

isbn号码:9780849371899

丛书系列:

图书标签:

• 微控制器
• 单片机
• 嵌入式系统
• 编程
• C语言
• 汇编语言
• 硬件
• 电子工程
• Arduino
• ARM

《嵌入式系统硬件设计与集成》 本书深入探讨现代嵌入式系统设计的核心——硬件层面。我们将从最基础的电子元件入手，逐步构建起复杂而高效的嵌入式硬件平台。本书旨在为读者提供一个扎实而全面的硬件设计知识体系，使其能够理解并掌握从原理图绘制到PCB布局，再到成品调试的整个流程。 第一部分：基础电子元器件与电路分析 我们将从晶体管、二极管、电阻、电容等基本元器件的物理特性、工作原理和实际应用开始。详细讲解欧姆定律、基尔霍夫定律等基本电路分析方法，以及R-C、R-L、R-C-L等基本电路在信号滤波、时序控制等方面的作用。随后，我们将进入数字逻辑的世界，深入理解门电路（AND, OR, NOT, XOR等）的设计与组合，以及触发器（D触发器、JK触发器等）在存储和时序控制中的关键作用。时序逻辑电路如计数器、移位寄存器等的设计与应用也将是本部分的重点。 第二部分：核心硬件模块设计 本部分将聚焦于嵌入式系统中常见且至关重要的硬件模块。我们将详细阐述CPU（微处理器/微控制器）的工作原理，包括指令集架构、总线接口、中断机制以及不同类型CPU（如ARM Cortex-M系列）的特点和选择。电源管理单元（PMU）的设计至关重要，我们将探讨线性稳压器、开关稳压器的工作原理、效率优化以及电源噪声的抑制技术。存储器接口设计将深入到SRAM、DRAM、Flash等不同类型存储器的时序要求、读写操作以及接口电路设计。通信接口是嵌入式系统与外部世界交互的关键，我们将详细讲解UART、SPI、I2C等通用串行通信协议的工作原理、时序图以及硬件实现。同时，本部分还将覆盖ADC/DAC（模数/数模转换器）的设计，包括采样率、分辨率、参考电压等关键参数的选型，以及常用的信号调理电路。 第三部分：系统集成与PCB设计 系统集成是将各个硬件模块有机结合的关键步骤。我们将探讨总线架构（如AXI、AHB）的设计原则，如何实现高效的数据传输和模块间通信。时钟系统设计是稳定运行的基石，我们将详细讲解晶振、PLL（锁相环）等时钟源的选择与设计，以及时钟信号的分配与同步。PCB（Printed Circuit Board）设计是硬件实现的载体。本书将系统讲解PCB设计流程，包括原理图导入、元器件布局、信号布线、电源/地平面设计、阻抗匹配以及多层板设计等关键技术。我们将强调信号完整性（SI）和电源完整性（PI）的重要性，以及如何通过合理的PCB设计来避免信号反射、串扰和电源噪声。 第四部分：低功耗设计与硬件调试 在资源受限的嵌入式领域，低功耗设计至关重要。本部分将探讨多种低功耗设计策略，包括时钟门控、电源门控、睡眠模式、动态电压频率调整（DVFS）等。我们将分析不同硬件模块的功耗特性，并提供优化建议。硬件调试是确保系统正常工作的最后一道关卡。本书将介绍多种调试工具和技术，如示波器、逻辑分析仪、JTAG/SWD调试器等。我们将讲解如何利用这些工具来定位电路问题、分析信号异常，以及进行硬件性能的评估和优化。 第五部分：传感器接口与驱动电路 嵌入式系统常常需要与各类传感器配合工作。本部分将深入讲解不同类型传感器的接口特性，包括模拟输出传感器（如温度传感器、光敏电阻）、数字输出传感器（如加速度计、陀螺联）以及需要特定通信协议的传感器（如I2C、SPI接口的传感器）。我们将详细介绍如何设计相应的接口电路，包括信号放大、滤波、阻抗匹配等。同时，还将探讨如何为这些传感器设计驱动电路，确保其能够稳定可靠地工作。 第六部分：射频与无线通信硬件 对于需要进行无线通信的嵌入式系统，射频（RF）硬件的设计和集成是必不可少的。本部分将介绍射频通信的基本原理，包括电磁波传播、天线理论、阻抗匹配等。我们将详细讲解常见的无线通信模块，如Wi-Fi、Bluetooth、Zigbee等，以及它们的核心硬件组成和接口设计。读者将学习如何进行RF电路的布局布线，如何处理射频干扰，以及如何进行RF性能的测试和优化。 第七部分：接口扩展与系统性能优化 本书的最后部分将探讨如何通过各种接口来扩展嵌入式系统的功能，例如USB接口、以太网接口、CAN总线接口等。我们将分析这些接口的工作原理和硬件设计要求。此外，本部分还将深入探讨系统性能优化的各个方面，包括总线带宽的利用、存储器访问效率的提升、中断处理的优化以及硬件加速器的应用等。目标是帮助读者构建出既功能强大又性能卓越的嵌入式硬件系统。 本书内容紧密结合实际应用，通过大量的电路图、PCB布局图和实例分析，帮助读者理解抽象的理论知识，并将其转化为实际的硬件设计能力。无论是初学者还是有一定经验的嵌入式硬件工程师，都能从本书中获得宝贵的知识和实践指导。

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深入阅读之后，我发现这本书在实践操作层面的深度和广度令人惊叹。它不仅仅停留在理论的介绍，而是将大量篇幅投入到具体实验和项目的设计上。我特别欣赏作者选择的示例芯片系列，它们在工业界和创客社区中都有着极高的普及度，这意味着我后续遇到实际工程问题时，很容易找到相关的社区支持和参考资料。书中对各种外设接口（如SPI、I2C、UART）的讲解，没有采用简单地罗列寄存器位域的方式，而是结合实际的应用场景，比如如何高效地从传感器读取数据流，或者如何实现稳定的串行通信协议。更值得称道的是，作者对于调试技巧的探讨，书中花费了不少笔墨讲解如何利用示波器和逻辑分析仪来诊断时序问题和信号完整性问题，这在很多纯软件导向的书籍中是缺失的宝贵经验。这些实战性的内容，让我感觉自己像是在一个经验丰富的工程师手把手指导下进行项目开发，极大地提升了我解决真实硬件问题的能力。

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这本书的排版和图文呈现方式，可以说是教科书级别的典范。通常技术书籍的图示往往是简单粗糙的方框加箭头，但这本书的插图绘制得极其精美和清晰，尤其是对于复杂的时序图和逻辑电路图的分解展示，达到了近乎艺术品的级别。例如，当讲解定时器模块的捕获和比较功能时，书中附带的波形图几乎是教科书式的标准范本，每一个上升沿和下降沿都标注得清清楚楚，配合文字的解释，即便是一个复杂的PWM控制环路，也能被迅速拆解理解。此外，代码示例的格式化也做得非常好，采用了统一的、易于阅读的风格，并且关键的代码段落都有相应的注释，但这些注释并非冗余的重复说明，而是提供了更深层次的解释和设计考量。这种注重细节的专业态度，让阅读体验变得非常愉悦和高效，减少了阅读障碍，让我的注意力可以更集中于核心的技术概念本身。

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这本书的开篇介绍，着实让我对嵌入式系统开发产生了全新的认识。作者没有一上来就陷入晦涩难懂的寄存器操作细节，而是用一种近乎讲故事的方式，娓娓道来了微控制器在现代电子设备中扮演的核心角色。我印象最深的是书中对“抽象层次”的阐述，它清晰地描绘了从硬件层、固件层到应用层之间的递进关系。这种结构安排极大地降低了初学者的学习门槛，让我感觉不再是被一堆术语和数据手册压垮，而是有了一个清晰的路线图可以遵循。尤其是在讨论中断处理机制时，作者用生动的比喻解释了优先级和竞争条件，这比教科书上冷冰冰的定义要有效得多。读完前几章，我已经能自信地理解一个简单的LED闪烁程序背后，CPU是如何调度资源、响应外部事件的。这种由宏观到微观的引导方式，培养了我对底层工作原理的直觉，而不仅仅是停留在代码层面的死记硬背。整体而言，这本书的叙事节奏把握得极为精准，让人有种“原来如此”的豁然开朗感，为后续深入学习打下了坚实的基础。

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与其他侧重特定微控制器平台的书籍相比，我特别赞赏这本书在“通用性”和“适应性”上的平衡把握。作者似乎很清楚，微控制器技术栈更新换代极快，因此他们将重点放在了那些不随具体型号而改变的核心计算思维和算法实现上。书中对于嵌入式操作系统（RTOS）的基本概念介绍得相当到位，它没有直接跳入某个特定RTOS的API调用，而是先深入探讨了任务调度、互斥锁、信号量这些概念背后的哲学和必要性。这种自上而下的方法论使得，即使未来我转到使用完全不同的处理器架构或新的实时操作系统，这本书提供的底层逻辑框架依然能够指导我的学习和设计工作。这种对基础原理的坚实打磨，保证了这本书的生命力，使其不仅仅是一本介绍某一代产品的指南，更像是一份关于嵌入式系统思维的经典文献。

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读完这本书，我最大的收获在于思维模式的重塑。过去我倾向于用面向对象或高级语言的思维去“命令”硬件执行任务，但这本书让我深刻理解到，在资源受限的环境下，程序设计是一种与硬件资源进行精妙“谈判”的过程。作者在讨论存储器映射和编译器优化时，透露出的那种对“效率”的极致追求，确实是教科书里常常忽略的工程美学。例如，书中对比了不同循环展开方式对缓存命中的影响，这种层面的讨论，已经超越了简单的“能跑就行”的阶段，迈向了“如何优雅且高效地跑起来”的境界。这种对细节的深挖和对性能的执着，潜移默化地提升了我的工程素养。它教会我，在嵌入式世界里，每一字节的内存和每一个时钟周期都是宝贵的资产，必须审慎对待，这无疑为我未来在高性能或资源受限系统中进行设计提供了强大的方法论支撑。

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