单片机原理及接口技术 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:温宗周 编

出品人:

页数:356

译者:

出版时间:2009-8

价格:36.00元

装帧:

isbn号码:9787508391182

丛书系列:

图书标签:

• 单片机
• 原理
• 接口技术
• 嵌入式系统
• 电子工程
• 微控制器
• C51
• 汇编语言
• 硬件设计
• 实践教程

《嵌入式系统设计与实践：从原理到应用》 一、 核心理念与目标读者 《嵌入式系统设计与实践：从原理到应用》旨在为读者提供一个全面、深入的嵌入式系统学习框架。本书并非局限于某个特定微控制器（如单片机）的接口技术，而是将视角放宽至整个嵌入式系统领域，涵盖从底层硬件的理解，到上层软件的设计，再到实际应用开发的完整流程。我们深入探讨嵌入式系统的设计哲学，强调系统性思维，并着重培养读者独立解决复杂工程问题的能力。 本书适合的对象广泛，包括但不限于： 在校学生： 计算机科学、电子工程、自动化等相关专业的本科生和研究生，需要掌握嵌入式系统理论知识和实践技能，为毕业设计、科研项目或未来就业打下坚实基础。 初级嵌入式工程师： 希望系统性地提升自身在嵌入式系统设计、开发、调试等方面的技能，从初步的“应用者”转变为具有独立设计能力的“创造者”。 有一定硬件或软件基础的爱好者： 希望将所学知识应用于实际项目，创造出智能硬件、物联网设备或其他创新产品。 需要了解嵌入式系统原理的跨领域从业者： 如产品经理、项目经理等，需要理解嵌入式系统的工作机制，以便更好地协调团队、评估技术方案。 二、 内容体系与知识脉络 本书内容编排严谨，逻辑清晰，力求在有限的篇幅内，为读者勾勒出嵌入式系统知识的完整图景。我们不回避技术细节，但更侧重于原理的阐释和方法的提炼，使读者能够举一反三，适应未来快速发展的技术变革。 第一部分：嵌入式系统基础理论 1. 嵌入式系统概述： 定义与特点： 深入剖析嵌入式系统的本质，区分于通用计算机系统，强调其专用性、实时性、可靠性、低功耗等关键特性。 发展历程与应用领域： 回顾嵌入式系统的发展脉络，展望其在物联网、人工智能、工业自动化、医疗健康、消费电子等各个领域的广泛应用前景，激发读者的学习兴趣。 系统架构与组成： 详细介绍嵌入式系统的基本组成模块，包括处理器（CPU）、存储器（RAM, ROM）、输入/输出设备（I/O）、通信接口、电源管理等，为后续深入学习打下基础。 2. 处理器体系结构与工作原理： 通用处理器架构回顾（选讲）： 简要回顾RISC/CISC架构、指令集、流水线等通用计算机处理器概念，为理解嵌入式处理器提供背景。 嵌入式处理器核心： 重点介绍ARM、MIPS、RISC-V等主流嵌入式处理器架构的特点，包括其指令集、寻址模式、寄存器组织、中断机制等。强调不同架构的优劣势及其适用场景。 内存管理单元（MMU）与缓存（Cache）： 深入讲解MMU的作用，包括虚拟地址到物理地址的映射、页表管理等，理解其在现代嵌入式系统中对性能和安全的重要性。详细阐述CPU缓存的工作原理，解释缓存一致性问题及其解决方案。 中断与异常处理： 详细讲解中断的产生、向量表、中断服务程序的执行流程，以及异常处理的机制。强调实时系统对中断响应速度和处理精度的要求。 3. 嵌入式操作系统（RTOS）原理： RTOS的重要性与作用： 解释为什么需要RTOS，以及RTOS在资源管理、任务调度、通信同步等方面扮演的关键角色。 任务管理： 深入剖析任务（线程）的概念，包括任务的创建、销毁、状态转换、优先级管理、时间片轮转等调度算法。 进程间通信（IPC）： 详细介绍多种IPC机制，如信号量、互斥锁、消息队列、事件标志、共享内存等，并分析它们在不同场景下的适用性。 内存管理： 阐述RTOS的内存分配策略，如静态分配、动态分配、伙伴系统、内存池等，以及内存碎片问题及其缓解方法。 时钟与定时器： 讲解RTOS如何管理系统时钟，以及定时器在周期性任务执行、超时检测等方面的应用。 常见RTOS（例如FreeRTOS, uCOS, RT-Thread）的架构与特性（选讲）： 简要介绍几个流行的RTOS的内核结构、API设计以及使用特点，帮助读者建立具体概念。 第二部分：嵌入式系统硬件设计与调试 1. 嵌入式硬件平台选型与分析： 核心板（SoC）选型： 讲解在实际项目开发中，如何根据项目需求（性能、功耗、成本、外设接口等）选择合适的SoC，并介绍如STM32系列、ESP32系列、NXP i.MX系列等主流SoC的特点。 存储器接口设计： 详细介绍SDRAM、DDR、NAND Flash、NOR Flash等存储器的接口原理、时序要求及其与处理器的连接方式。 电源管理： 讲解嵌入式系统中的电源需求，包括低功耗设计、电源管理芯片（PMIC）的应用、稳压与滤波电路的设计。 PCB设计基础（选讲）： 简要介绍PCB设计中的关键要素，如信号完整性、电源完整性、EMC/EMI等，强调硬件设计与系统稳定性的关系。 2. 常用嵌入式外设接口原理与应用： 串行通信接口： UART（通用异步收发器）： 讲解RS232, RS485等标准，通信协议，波特率、数据位、停止位、校验位等参数的设置，以及其在设备调试、模块间通信中的应用。 SPI（串行外设接口）： 介绍SPI总线的特点（全双工、主从模式、片选信号），时钟极性（CPOL）和相位（CPHA），以及在连接传感器、存储器、显示屏等外设中的应用。 I2C（集成电路互联总线）： 讲解I2C总线的特点（半双工、多主多从、地址寻址），SDA和SCL信号，及其在连接EEPROM、RTC、传感器等低速外设中的广泛应用。 并行通信接口： GPIO（通用输入输出）： 讲解GPIO的配置（输入、输出、上拉、下拉）、控制方式，以及其作为通用接口在连接LED、按键、开关等基础外设时的作用。 其他关键接口： ADC（模数转换器）与DAC（数模转换器）： 讲解采样率、分辨率、量化误差等概念，以及ADC/DAC在采集模拟信号（如温度、光照）和输出模拟信号（如音频）中的应用。 定时器/计数器： 深入讲解定时器的工作模式（定时、计数、PWM生成），以及其在精确延时、脉冲测量、PWM控制等方面的应用。 DMA（直接内存访问）： 阐述DMA的工作原理，以及它如何减轻CPU负担，实现高效的数据传输，特别是在音频、视频、存储器之间的数据迁移。 3. 嵌入式系统调试技术： 逻辑分析仪与示波器的使用： 讲解如何利用这些工具观测信号波形，分析通信协议，定位硬件问题。 JTAG/SWD接口与调试器： 详细介绍JTAG和SWD接口的功能，以及如何使用硬件调试器（如ST-Link, J-Link）进行代码下载、断点设置、变量监视、内存查看等。 打印调试（Printf Debugging）： 介绍printf在嵌入式系统中的应用，以及如何通过UART输出信息来辅助定位问题。 单元测试与集成测试： 强调测试在嵌入式开发流程中的重要性，并介绍一些基本的测试方法。 第三部分：嵌入式系统软件开发 1. 嵌入式软件开发环境搭建： 交叉编译工具链： 讲解交叉编译的概念，ARM GCC、Clang等常用交叉编译器的安装与配置。 集成开发环境（IDE）： 介绍Keil MDK, IAR Embedded Workbench, VS Code + PlatformIO等主流IDE的功能与使用方法。 构建系统（Makefile/CMake）： 介绍Makefile和CMake在自动化编译、链接、生成可执行文件中的作用。 2. 嵌入式C语言编程技巧： 硬件抽象层（HAL）与库函数： 讲解HAL层的作用，以及如何高效地使用硬件厂商提供的库函数来操作外设。 位操作与寄存器访问： 强调在嵌入式开发中对位操作和直接寄存器访问的掌握，以及其在优化性能和实现底层控制中的重要性。 内存模型与指针： 深入理解嵌入式系统的内存模型，以及指针在访问内存、操作数据时的注意事项。 嵌入式开发中的陷阱与优化： 讲解栈溢出、内存泄漏、中断延迟等常见问题，并提供避免和解决的策略。 3. 嵌入式Linux系统开发（进阶）： Linux内核架构： 简要介绍Linux内核的组成，包括进程管理、内存管理、文件系统、设备驱动等。 设备树（Device Tree）： 讲解Device Tree的语法和作用，如何描述硬件资源，以及它在现代嵌入式Linux系统中的重要性。 嵌入式Linux驱动开发基础： 介绍Linux驱动模型，内核模块的编写，以及GPIO、UART、SPI、I2C等常用驱动的编写思路。 文件系统与根文件系统构建： 介绍嵌入式Linux中常见的根文件系统类型（如cramfs, jffs2, ubifs）及其构建方法。 Bootloader（引导加载程序）： 介绍Bootloader的作用，常见的Bootloader（如U-Boot）的原理与移植。 第四部分：嵌入式系统项目开发实践 1. 从需求到设计的流程： 需求分析： 如何从用户需求出发，转化为技术规格。 系统架构设计： 如何进行模块划分，选择合适的技术方案。 硬件选型与原理图设计： 如何根据系统需求选择合适的硬件平台和外设。 软件模块设计： 如何设计驱动、应用层逻辑。 2. 实际项目案例分析： 案例一：智能家居温湿度监测系统： 讲解如何使用传感器采集数据，通过RTOS进行任务管理，通过无线模块（如Wi-Fi）将数据上传至云端。 案例二：基于嵌入式Linux的工业控制终端： 讲解如何搭建嵌入式Linux系统，编写设备驱动，实现与PLC等设备的通信，以及用户界面的设计。 案例三：低功耗物联网节点： 讲解如何优化功耗，选择合适的低功耗处理器和通信协议（如BLE, LoRa）。 3. 软件工程在嵌入式开发中的应用： 版本控制（Git）： 介绍Git在团队协作、代码管理中的重要性。 代码规范与文档编写： 强调良好的代码风格和详细的文档对于项目可维护性的作用。 敏捷开发方法（选讲）： 简要介绍在嵌入式项目开发中可能适用的敏捷开发理念。 三、 创新性与特色 系统性与前瞻性： 本书不仅关注当前主流技术，更注重培养读者理解底层原理和未来发展趋势的能力。我们强调“知其然，更知其所以然”。 软硬件协同设计： 突出硬件设计与软件开发之间的紧密联系，强调在项目早期就考虑软硬件协同的优化。 实践导向： 理论与实践相结合，通过丰富的案例分析和原理讲解，帮助读者将知识转化为实际的工程能力。 深度与广度兼顾： 在保证内容广度的同时，对关键技术点进行深入剖析，力求使读者真正理解背后的机理。 面向复杂系统： 逐步引导读者从简单的外设控制，迈向复杂嵌入式系统的设计与开发。 四、 学习建议 动手实践： 理论学习固然重要，但嵌入式开发更离不开动手实践。建议读者购买开发板，跟随本书内容进行实验，亲自编写、调试代码。 深入理解： 遇到不理解的概念，不要浅尝辄止，尝试查阅相关资料，与他人交流，直到真正掌握。 独立思考： 在遇到问题时，鼓励读者先尝试独立分析和解决，培养解决问题的能力。 持续学习： 嵌入式技术发展迅速，本书提供的知识体系是起点，后续的学习和探索至关重要。 《嵌入式系统设计与实践：从原理到应用》将成为您踏入嵌入式开发领域的坚实阶梯，助力您成为一名出色的嵌入式系统工程师。

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