单片微型计算机原理及工程应用 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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页数:265

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出版时间:2010-7

价格:32.00元

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isbn号码:9787122084170

丛书系列:

图书标签:

• 单片机
• 微型计算机
• 原理
• 应用
• 电子工程
• 嵌入式系统
• 数字电路
• 汇编语言
• 8051
• 实践

现代嵌入式系统设计与开发：从理论到实践 （A Comprehensive Guide to Modern Embedded Systems Design and Development: From Theory to Practice） 作者： [此处可留空或填写虚构作者名] 出版社： [此处可留空或填写虚构出版社名] --- 内容概述 本书旨在为读者提供一个全面、深入且极具实践指导意义的现代嵌入式系统设计与开发框架。我们认识到，尽管微控制器（MCU）技术是嵌入式系统的基石，但当代嵌入式系统远不止于简单的单片机编程。它们是软硬件深度融合、网络化连接、实时响应与高能效需求并存的复杂系统。 本书摒弃了侧重于特定指令集架构或单一型号微控制器的传统叙事方式，转而聚焦于贯穿整个嵌入式领域的核心概念、主流技术栈以及当前产业界最为关注的工程实践。内容覆盖了从硬件抽象层设计、实时操作系统（RTOS）选型与内核调度机制，到复杂的通信协议栈实现、低功耗设计策略，以及面向物联网（IoT）的安全加固技术。 全书结构清晰，逻辑严密，力求将深奥的理论知识与紧贴行业前沿的工程案例相结合，确保读者不仅理解“如何做”，更能理解“为何要这样做”。 --- 第一部分：嵌入式系统基础与硬件抽象 本部分为构建现代嵌入式应用奠定坚实的理论和实践基础。 第一章：现代嵌入式系统的范式转变 本章首先界定了现代嵌入式系统的内涵，区分了传统微控制器应用与当代复杂嵌入式系统的差异。探讨了摩尔定律、异构计算（如CPU、GPU、FPGA的集成）以及边缘计算对系统架构提出的新要求。重点分析了系统级芯片（SoC）的设计趋势及其对软件开发者意味着什么。 第二章：处理器架构与指令集对齐 深入分析主流的嵌入式处理器核心架构（如ARM Cortex-M/R/A系列）的内部结构、流水线机制和内存保护单元（MPU）。不同于简单介绍寄存器，本章着重探讨特定指令集特性（如SIMD、内存屏障）如何在实际代码中影响性能和并发正确性。引入 RISC-V 架构作为未来可扩展性的代表进行对比分析。 第三章：硬件抽象层（HAL）与驱动模型 详细阐述 HAL 的设计哲学，强调其在提高代码可移植性和维护性方面的作用。讲解设备驱动程序（Device Driver）的生命周期管理，包括中断处理的优先级、同步与互斥机制。特别关注总线协议（如 I2C, SPI, CAN）的软件实现精髓，以及如何设计健壮的 DMA（直接内存访问）驱动程序以卸载 CPU 负担。 第四章：内存管理与数据一致性 本章深入探讨嵌入式系统中的内存布局（Flash, RAM, 外部存储器）。分析缓存一致性问题，尤其是在多核或具有复杂内存访问模式的系统中。详细讨论了内存映射 I/O (MMIO) 的安全访问、内存碎片化问题以及栈溢出防护机制。 --- 第二部分：实时性、并发与操作系统内核 本部分聚焦于嵌入式系统对时间确定性和任务管理的核心要求。 第五章：实时性理论与性能指标 清晰界定硬实时、软实时和固件的差异。介绍关键的实时性能指标，如最坏情况执行时间（WCET）的分析方法。探讨中断延迟、任务切换开销以及时间抖动（Jitter）的量化与优化。 第六章：实时操作系统（RTOS）内核深入解析 本书将 RTOS 视为一个“任务调度引擎”，而非简单的库。详细剖析主流 RTOS（如 FreeRTOS, Zephyr, VxWorks）的内核机制，包括： 1. 调度算法： 优先级继承、优先级天花板协议、时间片轮转与抢占式调度的权衡。 2. 同步与通信原语： 信号量、互斥锁（Mutex）、消息队列、事件组的设计缺陷与正确使用场景。 3. 系统调用开销： 如何最小化内核模式切换的成本。 第七章：高级并发控制与死锁预防 超越基础的信号量，本章探讨并发编程中的复杂陷阱。分析锁的粒度选择、读写锁的应用场景。介绍无锁数据结构（Lock-Free Data Structures）的设计原理，例如基于 CAS（Compare-and-Swap）操作的环形缓冲区实现，以提升高并发场景下的系统吞吐量。 第八章：中断驱动设计与事件处理架构 讨论如何构建一个高效、低延迟的中断服务例程（ISR）。提倡“快速处理中断，慢速处理任务”的策略。引入事件处理框架，将 ISR 逻辑与业务逻辑解耦，确保系统对突发事件的响应能力。 --- 第三部分：网络通信、中间件与系统集成 本部分转向现代嵌入式系统普遍具备的网络连接能力和复杂的软件栈集成。 第九章：嵌入式网络协议栈的构建与优化 覆盖关键的通信协议： TCP/IP 栈精简： LwIP 等轻量级协议栈的裁剪与配置，重点在于内存池管理。 无线技术： 蓝牙低功耗（BLE）的数据包结构、Mesh 网络拓扑，以及 Wi-Fi 的连接管理和服务发现。 工业现场总线： EtherCAT 和 Profinet 的时序要求与数据帧结构。 第十章：面向物联网（IoT）的通信范式 深入探讨 IoT 领域的主流协议：MQTT 的 QoS 等级与会话管理；CoAP 的资源发现机制。重点分析边缘节点与云端数据的安全隧道建立（TLS/DTLS 的资源消耗优化）。 第十一章：固件更新与系统可靠性（OTA） 详细讲解空中下载（OTA）机制的设计挑战，包括：原子性更新、回滚机制（A/B 分区策略）、差分升级算法的实现与数据校验。探讨系统级 Watchdog 的配置与多级看门狗协同工作的方法。 第十二章：配置管理与构建系统工程 介绍如何管理数千个配置选项和依赖项。聚焦于现代嵌入式构建系统（如 CMake, Bazel）的集成，以及如何利用元编程技术实现跨平台的编译优化。强调配置文件的版本控制和可追溯性。 --- 第四部分：能效管理与低功耗设计实践 本部分是针对电池供电和能效敏感型设备的核心内容。 第十三章：功耗分析与量化模型 介绍功耗分析的工具链，从硬件级别的电流探头测量到软件级别的周期性功耗建模。详细解释动态功耗、静态漏电功耗的来源，并教授如何通过示波器和逻辑分析仪进行精确的功耗剖析。 第十四章：低功耗模式与时钟门控策略 系统性地讲解 CPU 的各种睡眠模式（Sleep, Deep Sleep, Standby）。核心在于 时钟门控（Clock Gating） 和 电源域管理（Power Domain） 的软件控制。讲解如何设计高效的唤醒源管理逻辑，确保从最低功耗态恢复到全速运行的最小延迟。 第十五章：数据采集与传感器接口的能效优化 分析 ADC 采样率与功耗之间的非线性关系。探讨周期性任务调度如何与电源管理策略结合，例如利用任务队列将多个短暂的高功耗操作合并（Burst Mode），以延长深睡眠时间。 --- 第五部分：系统安全与质量保障 本部分关注嵌入式系统日益重要的安全性和软件质量。 第十六章：嵌入式安全启动与信任链 阐述硬件信任根（RoT）的概念。详细分析安全启动（Secure Boot）的流程，包括签名验证、哈希校验以及固件加密的必要性。讨论安全存储（如OTP、eFuses）在密钥管理中的作用。 第十七章：运行时威胁防御与内存安全 探讨常见的嵌入式软件漏洞（如缓冲区溢出、整数溢出）。介绍编译器级别的安全特性（如Stack Canary, ASLR 的有限应用）。针对 RTOS 环境，讲解权限隔离和沙箱技术的初步实现。 第十八章：静态分析、动态测试与持续集成（CI/CD） 强调代码质量的自动化保障。介绍 MISRA C/C++ 规则的强制执行。深入探讨基于仿真器和硬件在环（HIL）的自动化测试框架搭建，以及如何将单元测试、集成测试融入嵌入式系统的持续集成流水线。 --- 适用对象 本书面向具备C/C++编程基础，希望系统性掌握现代嵌入式系统全栈技能的工程师、高级技术学生和系统架构师。它要求读者具备一定的电路基础知识，并渴望超越基础的 MCU 裸机编程，深入到复杂、网络化、高可靠性系统的设计层面。 核心价值： 本书不是一本手册，而是一套指导如何在资源受限的硬件上构建健壮、高效、可维护的复杂软件系统的工程方法论。

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