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出版者:Springer

作者:Lee, Yann-Hang; Kim, Heung-Nam; Kim, Jong

出品人:

页数:829

译者:

出版时间:2007-6-12

价格:USD 119.00

装帧:Paperback

isbn号码:9783540726845

丛书系列:

图书标签:

• 嵌入式系统
• 嵌入式软件
• 实时系统
• C语言
• 微控制器
• ARM
• 硬件接口
• 操作系统
• 调试
• 开发工具

深入探索现代电子系统的核心：从硬件接口到高级软件架构的全面指南 本书《微控制器编程与实时操作系统实践》旨在为读者提供一个全面、深入且高度实用的知识框架，用以理解、设计和实现嵌入式系统的核心软件栈。它专注于将理论知识与当前行业标准和前沿技术紧密结合，使读者能够从底层硬件交互一直构建到复杂的系统级软件设计。 本指南摒弃了对特定微控制器厂商或过时架构的冗余介绍，而是聚焦于那些构成现代嵌入式系统灵魂的通用、跨平台的核心概念和设计范式。 第一部分：硬件抽象与低级编程基础 (The Foundation: Abstraction and Low-Level Control) 本部分将读者带入嵌入式系统编程的基石，强调对“裸机”环境的深刻理解，这是构建任何可靠软件的前提。 第一章：汇编语言与寄存器级操作的艺术 本章从现代处理器（如基于ARM Cortex-M或RISC-V架构的内核）的指令集体系结构（ISA）入手，而非停留在理论介绍。我们将详细剖析数据处理指令、程序流控制以及堆栈操作的底层机制。重点内容包括： 条件执行与位域操作的效率优化： 如何通过精确的位掩码和位移操作，以最少的时钟周期完成复杂的数据格式转换和状态标志的设置与读取。 调用约定（Calling Conventions）： 深入理解函数调用栈帧的建立与销毁，参数传递、返回值处理以及局部变量存储的规范，这对于编写可重入（reentrant）函数至关重要。 中断服务程序（ISR）的黄金法则： 讲解ISR如何安全地保存和恢复上下文（Context Saving），确保在中断处理过程中对共享资源的最小化污染，并实现原子操作。 第二章：存储器映射与外设交互的精细控制 嵌入式系统的核心在于对硬件寄存器的直接读写。本章将此过程系统化，并引入现代C语言的特性来安全地管理这些操作。 易失性（`volatile`）的精确应用： 阐释`volatile`关键字在防止编译器优化对硬件寄存器读写造成意外行为中的不可替代性。 结构化访问与硬件描述语言（HDL）的桥接： 如何使用C语言的结构体（`struct`）和指针运算，精确模拟设备数据手册中描述的寄存器布局，实现清晰、模块化的硬件接口封装。 直接存储器存取（DMA）的配置与同步： 深入探讨DMA控制器的初始化流程，包括传输模式（单次、循环、突发）、地址递增/递减策略以及中断通知机制，实现数据传输与CPU执行的解耦。 第三章：定时器、计数器与脉冲宽度调制（PWM）的精确控制 时间管理是嵌入式系统的生命线。本章侧重于系统时钟源的选择、分频器的配置以及如何利用底层定时器模块实现精确的时间测量和信号生成。 向上计数与向下计数模式的优劣分析： 在不同应用场景下（如周期事件触发与输入捕获）选择最佳计数模式的考量。 输入捕获（Input Capture）的去抖动与同步： 结合硬件滤波和软件算法，实现对外部事件（如编码器信号或外部脉冲）的可靠捕获。 高分辨率PWM的实现： 探讨如何通过组合主定时器和互补输出通道，生成死区（Dead Time）可控、占空比精确的驱动信号，适用于电机控制等高要求领域。 --- 第二部分：实时性、并发与操作系统设计 (Concurrency and Real-Time Management) 本部分转向软件架构的核心挑战——管理并发、保证时间约束以及构建可扩展的软件结构。 第四章：实时操作系统的核心原理与任务调度 本章将实时操作系统（RTOS）视为一种资源管理工具，而非简单的多任务抽象层。我们将重点分析主流的调度算法及其对系统确定性的影响。 调度策略的深度剖析： 详尽对比固定优先级抢占式（Preemptive Priority Scheduling）、轮转法（Round-Robin）以及最早截止时间优先（EDF）算法在资源竞争下的性能表现和复杂度。 上下文切换的开销分析： 探讨寄存器集保存与恢复过程的性能影响，以及如何通过优化任务粒度来最小化切换延迟。 中断延迟与最坏情况执行时间（WCET）： 介绍如何通过分析代码路径和硬件中断嵌套深度，估算系统的最坏情况响应时间，这是实时系统可信度的基石。 第五章：进程间通信（IPC）的安全机制与同步原语 并发编程中最危险的区域是共享资源的管理。本章深入探讨如何使用RTOS提供的同步机制，确保数据一致性和避免死锁。 互斥锁（Mutexes）与二值信号量（Binary Semaphores）的区别与误用： 明确区分二者的语义差异，特别是在优先级反转（Priority Inversion）问题上的处理机制。 消息队列（Message Queues）的设计与流控： 探讨消息队列作为异步通信和背压（Backpressure）机制的应用，以及固定大小消息与动态内存分配在队列实现中的权衡。 事件标志组（Event Flags）与信号量的组合使用： 展示如何使用事件标志组来高效地等待多个异步事件的发生，实现比传统信号量更灵活的任务同步模式。 第六章：内存管理与代码的可靠性 在资源受限的环境中，内存的分配和释放必须是可预测的。本章关注动态内存管理（Heap Management）在嵌入式环境中的特殊挑战。 嵌入式堆管理器的实现原理： 剖析如`malloc`/`free`在嵌入式系统中的局限性，并介绍如内存池（Memory Pools）和固定大小块分配器（Fixed-Block Allocators）如何提供确定性的分配时间。 内存碎片化问题（Fragmentation）： 分析碎片化产生的机制，以及防御性编程策略，例如强制按类型划分内存区域。 堆栈溢出检测与防御： 实现硬性栈边界检查，通过在栈底填充特定模式（Canary Values）来实时监控和捕获未被察觉的栈使用越界。 --- 第三部分：通信协议与系统集成 (Connectivity and System Integration) 本部分聚焦于系统间的通信，从底层串行协议到面向应用的复杂网络栈。 第七章：通用串行通信协议的深度剖析 本章超越了简单的UART配置，深入研究了工业和消费电子中广泛使用的同步和异步协议。 SPI（Serial Peripheral Interface）的模式与时序分析： 详细解读SPI的四个CPOL/CPHA模式，以及如何通过片选（CS）时序控制实现多从设备的并发访问。 I2C总线的仲裁机制与多主通信： 分析I2C冲突解决机制，以及如何实现设备的地址扫描和动态设备发现。 异步数据流的错误处理： 重点探讨在高速串行通信中，如何通过校验和（Checksums）、帧同步字节和重传机制，保证数据的完整性。 第八章：网络协议栈的精简实现与资源优化 在资源受限的设备上实现网络连接（如TCP/IP或MQTT）需要高度优化的协议栈。 轻量级TCP/IP栈的架构： 介绍LwIP等精简栈的架构，重点关注其内存缓冲区管理（Pbufs）和事件驱动的协议处理流程。 嵌入式安全通信（TLS/DTLS）： 探讨在有限RAM和Flash空间下，如何集成和裁剪轻量级加密库（如mbedTLS），并管理X.509证书。 物联网消息传递： 深入MQTT协议的QoS级别、会话保持机制，以及如何设计高效的心跳（Keep-Alive）策略以最小化无线功耗。 第九章：固件的更新与系统级的可靠性 现代嵌入式设备要求能够安全、可靠地接收远程更新。 Bootloader与A/B分区机制： 详细阐述如何设计一个健壮的Bootloader，实现双备份（A/B）分区策略，确保在更新失败时系统能够自动回滚到上一个稳定版本。 原子性写入与掉电保护： 讨论如何在Flash存储器上实现配置参数的原子性更新，防止因意外断电导致配置数据损坏（如使用翻转存储策略）。 系统诊断与故障注入测试： 介绍设计遥测（Telemetry）接口和看门狗（Watchdog）超时处理的最佳实践，以提高现场设备的长期运行可靠性。 本书的结构设计确保了读者不仅能学会“如何做”，更能理解“为何要这样做”，从而构建出高性能、高可靠性且易于维护的下一代嵌入式系统。

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