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页数:343

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出版时间:2009-6

价格:45.00元

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isbn号码:9787111266860

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• LonWorks
• 工业控制
• 通信协议
• 楼宇自动化
• 智能家居
• 传感器网络
• 嵌入式系统
• 协议分析
• 技术原理
• 应用开发

现代嵌入式系统设计与实践 导读： 本书深入探讨了当代嵌入式系统领域的前沿技术与核心实践，旨在为电子工程师、软件开发者以及相关领域的研究人员提供一本全面、深入且具有高度实操性的技术参考与学习指南。在物联网（IoT）、工业控制、智能硬件等领域对高性能、低功耗、高可靠性嵌入式解决方案需求日益增长的今天，掌握系统级的软硬件协同设计能力至关重要。本书摒弃了传统教科书的理论堆砌模式，侧重于工程实践中的难点攻克与前沿架构的解析。 第一部分：新一代微控制器架构与底层开发 本部分聚焦于当前主流的高性能微控制器（MCU）及其衍生架构的深度解析。 第一章：高性能Cortex-M系列内核深入解析与优化 详细剖析了Cortex-M3、M4（含FPU）及M7内核在指令集、流水线设计、中断管理（NVIC）上的差异与高级特性。重点讨论了如何通过编译器优化（如寄存器分配、循环展开、指针别名处理）来榨取最高执行效率。内容涵盖了实时操作系统（RTOS）内核与这些特定内核特性（如特权级、内存保护单元MPU）的协同工作机制，并提供了针对性代码示例，演示如何在资源受限环境下实现高性能实时任务调度。 第二章：片上外设的高效驱动与实时同步 超越基础的GPIO和定时器配置，本章深入讲解了高速模数转换器（ADC）的高级采样模式（如交错采样、触发源配置）、脉冲宽度调制（PWM）的互补/死区控制在电机驱动中的应用。特别关注了DMA（直接内存访问）控制器的深度编程，包括Scatter-Gather模式的应用，以实现CPU零干预下的高速数据搬运，这是构建高性能数据采集和通信系统的基石。此外，还探讨了如何利用低延迟中断处理（Fast Interrupt Handling）技术，确保关键事件的响应时间满足毫秒甚至微秒级要求。 第三章：存储器管理与程序可靠性 讲解了嵌入式系统中RAM、Flash（EEPROM）的物理特性与管理策略。详细阐述了XIP（eXecute In Place）技术的工作原理及其在固件加载中的优势与挑战。针对数据持久化，本书提供了详尽的闪存文件系统（如FATFS或专有磨损均衡算法）的选型、移植与优化指南，确保数据写入的可靠性与存储介质寿命的延长。安全启动（Secure Boot）的基本流程与代码签名校验机制也在本章进行了系统介绍。 第二部分：实时操作系统与并发编程范式 现代复杂嵌入式应用离不开操作系统。本部分侧重于RTOS的选型、内核机制的深入理解以及并发编程的安全性。 第四章：主流RTOS内核机制剖析与性能调优 对比分析了FreeRTOS、RT-Thread及嵌入式Linux在实时性、资源占用和生态支持上的差异。重点剖析了任务调度算法（如抢占式、时间片轮转、优先级继承）的内部实现细节。针对常见的系统性能瓶颈，本书提供了上下文切换时间测量、任务栈溢出检测和阻塞调用排查的实用工具与方法论。 第五章：同步、互斥与资源竞争的控制 深入探讨了并发编程中的四大陷阱：竞态条件、死锁、活锁和饥饿。除了经典的信号量、互斥锁（Mutex）之外，本书详细介绍了消息队列（Message Queue）作为主要通信原语的优势，以及如何利用事件组（Event Groups）实现复杂的多事件同步。针对多核系统，解析了自旋锁（Spinlock）在内核抢占与中断上下文中的正确使用边界。 第六章：低功耗设计与系统级能效管理 能效是移动和电池供电设备的核心指标。本章系统介绍了MCU的多种睡眠模式（Sleep Mode, Deep Sleep, Standby）及其唤醒机制的编程实践。讲解了动态频率调节（DVFS）在不同负载下的应用策略，并通过实例演示如何使用功耗分析工具（如示波器或专用电源分析仪）对系统进行毫瓦级功耗剖析，实现代码级的能耗优化。 第三部分：高级通信协议与网络集成 现代嵌入式系统往往需要与外部世界进行高速、可靠的通信。本部分聚焦于工业级和消费级网络协议栈的实现与优化。 第七章：可靠的串行通信协议栈实现 着重于CAN/CAN FD在工业控制网络中的应用，包括报文过滤器的配置、错误管理机制的实现，以及如何构建一个高优先级的错误处理任务。对于RS-485/Modbus，本书提供了基于帧格式解析和超时重传机制的鲁棒性软件实现。 第八章：嵌入式TCP/IP栈的定制与性能优化 在资源受限的微控制器上部署TCP/IP协议栈（如LwIP或μC/TCP-IP）需要精细的配置。本书详述了内存池管理（Pbuf优化）、协议栈分层剥离（如只保留UDP/MQTT）的策略。重点讨论了网络延迟的测量与抖动的分析，以及在低带宽物联网链路（如LoRaWAN或NB-IoT）中如何平衡实时性与数据吞吐量的冲突。 第九章：面向工业与消费电子的无线技术集成 超越基础的Wi-Fi和蓝牙（BLE）配对，本章深入探讨了BLE Mesh网络的拓扑构建与路由策略。在工业场景下，本书分析了时间敏感网络（TSN）的初步概念，并探讨了在传统以太网基础上实现确定性通信的软件层面的尝试与限制。 第四部分：系统级调试、测试与部署 优秀的工程实践要求系统具备高度的可维护性和可追溯性。 第十章：高级调试技术与故障诊断 讲解了JTAG/SWD接口的高级功能（如断点、观察点、数据追踪）。系统介绍了片上调试支持（如ARM CoreSight）的配置，使得开发者能够在不停止CPU运行的情况下，捕获复杂的时序错误。对于无法停机诊断的现场问题，本书提供了内存环形缓冲区（Ring Buffer）和看门狗（Watchdog）结合日志系统的诊断框架构建方法。 第十一章：固件空中升级（OTA）与安全部署 OTA是现代物联网设备的生命线。本章详细设计了A/B分区（Dual Bank）的固件更新机制，确保更新失败时系统能回滚到稳定版本。探讨了加密固件的下载、解密、校验和原子切换过程，强调了版本兼容性管理在持续迭代中的重要性。 第十二章：可测试性与自动化集成 强调了在嵌入式开发中实现单元测试和集成测试的必要性。介绍了如何使用模拟器（如QEMU）或硬件在环（HIL）平台来自动化执行测试脚本。涵盖了代码覆盖率在嵌入式项目中的衡量标准与工具链集成。 本书特色： 面向工程实践： 所有理论均辅以高阶硬件平台的实际代码案例和性能测试数据。 深度系统视角： 强调软硬件接口的协同优化，而非孤立地看待软件或硬件。 聚焦前沿挑战： 紧密跟踪实时性、低功耗、安全性和可升级性等行业热点。 目标读者： 具备C/C++基础，希望深入理解高性能嵌入式系统内核、RTOS原理，并致力于构建下一代智能设备的工程师和高级技术人员。

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阅读这本书的过程，仿佛进行了一次结构化的高阶课程学习，它系统地梳理了一个复杂技术体系的演进脉络和核心设计哲学。作者在开篇就为读者构建了一个宏大的技术愿景，随后层层递进，将那些看似晦涩难懂的底层机制，用非常清晰的逻辑链条串联起来。我特别喜欢它对“去中心化”和“鲁棒性设计”这些核心概念的深入剖析，不仅仅停留在表面定义，而是深入挖掘了它们背后的工程权衡和历史选择。书中对不同版本协议的迭代升级进行了对比分析，这对于理解技术的演化路径非常有启发性，让我不再只是停留在“如何使用”，而是能理解“为何如此设计”。这种注重原理和思想层面的构建，让这本书的知识保质期大大延长，即便是未来技术有所更新，其核心的设计思想依然能指导我们应对新的挑战。

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这本书的叙述风格可以说是兼具学术的严谨与科普的亲和力，这一点非常难能可贵。作者在处理技术术语时，会适当地插入一些形象化的比喻或者生活中的类比，使得那些抽象的通信机制变得生动起来，极大地降低了入门的心理门槛。举例来说，在解释数据帧的封装与解封装过程时，作者使用了一个非常巧妙的故事模型，让读者能轻松地跟上数据包在网络中穿梭的每一步操作。即便是一些需要扎实数学基础才能理解的部分，书中也提供了直观的图形化解释，避免了过多复杂的公式推导，让非专业背景的读者也能建立起正确的认知框架。这种“把复杂问题简单说清楚”的能力，是衡量一本优秀技术书籍的重要标准，而这本书无疑在这方面做得非常出色，让人在不知不觉中就吸收了大量的知识。

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这本书的装帧设计着实让人眼前一亮，封面采用了一种沉稳的深蓝色调，搭配着典雅的白色和金色的字体，显得既专业又不失格调。拿到手里时，就能感受到纸张的质感非常厚实，印刷的清晰度也相当高，即便是长时间阅读，眼睛也不会感到特别疲劳。内页的排版布局也处理得非常考究，段落之间的间距适中，注释和图表的引用位置都非常合理，使得整体阅读体验非常流畅。尤其是书中穿插的一些示意图和流程图，线条流畅，标注清晰，对于理解复杂的系统架构起到了至关重要的辅助作用。这种对细节的打磨，显然是出版社和作者团队精益求精态度的体现，让人在还未深入内容之前，就对这本书的专业性和可读性充满了信心，这种对物理媒介的重视，在如今数字阅读盛行的时代，显得尤为珍贵，让人愿意将其收藏在书架上，随时翻阅查阅。

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这本书的参考文献和附录部分的设计，显示了作者对知识体系完整性的极致追求。它不仅仅是一本独立的教程，更像是通往更广阔技术领域的索引地图。文末的延伸阅读列表非常详尽，涵盖了从底层硬件接口标准到上层应用框架的多个维度，为有志于深入研究的读者指明了方向。更难得的是，作者在某些关键技术的讨论处，引用了原始论文的观点，这为读者提供了验证信息来源的渠道，增强了内容的权威性和可信度。另外，书后附带的快速参考手册部分，将最常用的一些命令、寄存器设置和故障代码进行了集中整理，这种“工具箱”式的设计，使得这本书在实际工作环境中也具有极高的检索效率，而不是仅仅躺在书架上充当摆设，真正实现了理论指导实践的良性循环。

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我对于技术书籍的实用性看得非常重，这本书在理论深度和实际操作指导之间的平衡把握得恰到好处。它没有停留在枯燥的协议规范堆砌上，而是紧密结合实际应用场景，比如在智能楼宇控制和工业自动化中的具体部署案例分析得极其透彻。我特别欣赏其中对不同硬件平台兼容性问题的探讨，以及针对常见网络延迟和数据同步挑战提出的创新性解决方案。书中的代码示例部分也做得非常到位，不仅仅是展示了核心逻辑，还附带了详细的注释，甚至包含了错误排查的思路引导，这对于初学者快速上手和有经验的工程师进行深度优化都有极大的帮助。感觉作者是真正一线的实践者，而非仅仅是理论研究者，这种“从实战中来，到实战中去”的叙事方式，极大地提升了这本书的工具书价值。

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