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出版者:电子工业

作者:徐爱钧

出品人:

页数:324

译者:

出版时间:2011-3

价格:39.00元

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isbn号码:9787121127731

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《嵌入式系统设计与应用》 前言 在信息技术飞速发展的今天，嵌入式系统已渗透到我们日常生活的方方面面，从智能家电到工业自动化，无处不在。本书旨在为读者提供一个全面、深入且实用的嵌入式系统设计与应用指南。它不局限于某一特定微控制器平台，而是侧重于构建现代嵌入式应用所需的核心概念、工具和方法论。本书力求理论与实践并重，通过大量鲜活的案例和工程实践指导，帮助读者构建扎实的理论基础和卓越的工程能力。 第一部分：嵌入式系统基础理论与硬件平台 第一章：嵌入式系统的本质与架构 本章深入剖析嵌入式系统的定义、特点及其在当代科技中的战略地位。我们将探讨嵌入式系统的典型架构，包括微处理器（MPU）、微控制器（MCU）和数字信号处理器（DSP）之间的差异与联系。重点解析嵌入式系统的层次化结构，从硬件抽象层（HAL）到操作系统（OS）再到应用层软件的组织方式。此外，本章还将介绍嵌入式系统生命周期的各个阶段，强调早期需求分析和架构选择对项目成功的重要性。 第二章：核心处理器的深入理解 本章将系统梳理主流嵌入式处理器的工作原理。内容涵盖冯·诺依曼与哈佛架构的对比，指令集的分类（如RISC与CISC的哲学差异）。我们将详细介绍流水线技术、缓存管理（一级、二级缓存的映射与替换策略）以及分支预测机制如何提升CPU性能。同时，本书将引入现代嵌入式SoC（系统级芯片）的概念，讲解片上集成（On-Chip Integration）的优势与挑战，包括总线结构（如AMBA AXI/AHB）的设计考量。 第三章：存储器系统与接口技术 存储器是嵌入式系统的关键组成部分。本章全面介绍各种类型的存储器：易失性存储器（SRAM、DRAM，重点讲解DDR SDRAM的刷新与时序要求）和非易失性存储器（NOR Flash、NAND Flash、eMMC、SPI Flash）。我们将详细阐述存储器的组织结构、读写时序以及错误校验码（ECC）在数据完整性中的作用。在接口技术方面，本章深入探讨高速串行通信接口，如PCIe、USB 3.0/Type-C的物理层与协议栈基础，以及LVDS等显示接口技术。 第四章：片上资源与外设交互 本章聚焦于嵌入式系统内部的丰富外设。首先，详细讲解通用输入/输出（GPIO）的电气特性、上拉/下拉配置及其在数字逻辑中的应用。其次，深入探讨定时器/计数器模块的工作模式（输入捕获、输出比较、PWM生成），并结合实际应用（如电机控制）进行实例分析。中断控制器（NVIC/GIC）的优先级配置、中断服务程序（ISR）的书写规范与上下文切换机制是本章的重点内容。此外，我们还将覆盖模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）的精度、采样率和量化噪声等关键参数的工程评估。 第二部分：嵌入式软件开发与工具链 第五章：汇编语言与底层编程实践 尽管高级语言是主流，但理解底层汇编对于性能优化和驱动开发至关重要。本章从目标指令集（如ARMv7/v8）出发，讲解寄存器操作、堆栈管理和函数调用约定。重点在于如何使用汇编语言实现对特定硬件寄存器的直接操作，以及如何编写高效的启动代码（Boot Code）来初始化系统环境。 第六章：C语言在嵌入式环境中的高级应用 C语言仍然是嵌入式开发的主力军。本章超越基础语法，探讨嵌入式C的特有挑战与技巧：volatile关键字的正确使用、位域（Bit Field）的定义与访问、内存对齐与结构体填充优化、以及对堆（Heap）和栈（Stack）内存分配的精细控制。我们将详细讨论跨平台移植性问题和嵌入式编译器（如GCC for ARM）的优化选项。 第七章：驱动程序设计与硬件抽象层（HAL） 驱动程序是连接硬件和上层软件的桥梁。本章系统介绍设备驱动的通用框架，包括字符设备、块设备和网络设备驱动的注册、打开、读写和ioctl流程。我们将重点讲解如何设计一个健壮且可重用的HAL，以确保软件在不同硬件平台间的可移植性，并介绍设备树（Device Tree）的结构及其在现代嵌入式Linux系统中的配置作用。 第八章：实时操作系统（RTOS）核心原理 实时性是许多嵌入式应用的核心要求。本章深入讲解RTOS的基本概念，包括任务管理（就绪态、运行态、阻塞态）、任务调度算法（如固定优先级、轮转、EDF）的数学模型与工程实现。同步与互斥机制是本章的重中之重，我们将详细分析信号量（Semaphore）、互斥锁（Mutex）和消息队列（Message Queue）的内部机制、死锁的预防与检测。此外，本章还会涵盖时间管理、中断延迟和上下文切换的性能开销分析。 第三部分：通信协议与网络集成 第九章：片间与短距离通信协议 现代嵌入式系统通常需要与其他芯片或传感器通信。本章详尽阐述I2C总线的工作时序、主/从设备仲裁机制，以及如何利用I2C实现多设备寻址。SPI协议则侧重于全双工、高速数据传输的应用场景，分析其片选（CS）控制和时钟极性/相位（CPOL/CPHA）的配置。此外，本章还将介绍UART的波特率计算、RS-232/RS-485的电气标准与远距离通信的解决方案。 第十章：嵌入式网络通信与TCP/IP协议栈 随着物联网（IoT）的兴起，嵌入式网络能力变得至关重要。本章从以太网MAC/PHY的工作原理入手，逐步深入到TCP/IP协议族的精髓：IP寻址、路由机制、TCP的可靠性保证（三次握手、四次挥手、拥塞控制）和UDP的无连接特性。我们将探讨轻量级TCP/IP协议栈（如lwIP）的移植与配置，并介绍DHCP、DNS等应用层协议在嵌入式设备中的实现。 第十一章：无线通信模块集成 本章专注于低功耗无线通信技术。内容包括Bluetooth Classic与Bluetooth Low Energy（BLE）的技术规格对比，BLE GATT服务、特征（Characteristic）与描述符的构建。对于Wi-Fi集成，我们将探讨802.11协议基础，以及如何利用Host-based或Chip-based架构实现设备联网。对LoRa、Zigbee等低功耗广域网（LPWAN）技术的应用场景与协议栈特点也将进行介绍。 第四部分：系统级设计与工程实践 第十二章：固件的构建、烧录与调试 高效的开发流程离不开成熟的工具链。本章指导读者如何配置交叉编译环境，理解链接脚本（Linker Script）在内存映射中的核心作用，并学习如何生成可执行文件。固件烧录部分将介绍JTAG/SWD接口的原理，以及使用OpenOCD等工具进行片上调试的实践。调试技术是本章的重中之重，包括断点设置、单步执行、寄存器/内存查看，以及使用逻辑分析仪/示波器进行硬件层面的时序验证。 第十三章：电源管理与低功耗设计 在电池供电的嵌入式系统中，能效是决定产品寿命的关键因素。本章详尽分析了功耗的组成部分（动态功耗与静态漏电功耗）。我们将系统介绍各种低功耗模式（如睡眠、深度睡眠、唤醒源配置），以及如何通过调节CPU时钟频率、关闭未使用的外设来实施动态功耗管理（DPM）。此外，本书还将涉及电源管理单元（PMU）的配置与电池电量监测（Fuel Gauge）技术的应用。 第十四章：嵌入式系统安全基础 系统安全是现代嵌入式产品不可或缺的一环。本章探讨嵌入式安全威胁的类型，如侧信道攻击、固件篡改和代码逆向。我们将介绍硬件信任根（RoT）、安全启动（Secure Boot）的流程，以及如何利用硬件加密加速器（如AES, SHA）实现数据加密与身份验证。代码保护技术，包括代码混淆和反调试机制，也将作为工程实践被详细阐述。 附录 A：Linux内核裁剪与移植基础 附录 B：嵌入式系统常用数据结构与算法优化 本书旨在成为一本兼具深度与广度的参考手册，帮助读者从原理层面掌握嵌入式系统的设计精髓，最终能够独立负责复杂嵌入式产品的软硬件协同开发工作。

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作为一名苦苦钻研单片机领域多年的爱好者，我终于遇到了这本书——《单片机原理实用教程》。老实说，在翻开它之前，我内心是充满期待又带着一丝忐忑的。我尝试过不少单片机相关的书籍，有些过于理论化，读起来像是枯燥的教科书，让人提不起兴趣；有些则过于碎片化，仅仅罗列了几个简单的例子，根本无法建立起完整的知识体系。而这本书，在我的指尖翻动间，慢慢揭开了它不同寻常的面纱。 初次接触这本书，最让我眼前一亮的是它对单片机基本原理的阐释。作者并没有直接跳到枯燥的代码和电路图，而是循序渐进地介绍了单片机的“心脏”——CPU的结构与工作原理，这部分内容写得极其清晰，仿佛一位经验丰富的老师在我耳边细细讲解。那些曾经让我头疼的指令集、寻址方式，在作者的笔下变得生动形象，甚至还穿插了一些形象的比喻，让我在脑海中构建起了一个完整的CPU运行模型。我特别喜欢它对于中断系统的讲解，没有一味地堆砌技术术语，而是深入浅出地剖析了中断产生的过程、中断向量表的意义以及中断服务程序的编写要点，让我真正理解了单片机如何在复杂多变的环境中快速响应各种事件。我甚至能想象到，在实际的项目开发中，如果能深刻理解这些原理，解决起问题来将事半功倍。

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这本书的语言风格是我非常欣赏的一点。作者没有使用过于晦涩难懂的专业术语，而是用通俗易懂的语言来解释复杂的概念。即使是对于初学者来说，也能轻松地理解。同时，作者在讲解时，也保持了严谨的科学态度，保证了内容的准确性。我特别喜欢书中那些“画龙点睛”的提示和总结，它们往往能够帮助我快速抓住知识点的核心，并且加深记忆。例如，在讲解完某个外设的控制方法后，作者会给出一个小结，提炼出关键的操作步骤和注意事项，这对于我复习和巩固知识非常有帮助。这种贴心周到的设计，让学习过程变得更加轻松愉快。

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我尤其看重这本书的逻辑性和连贯性。从宏观的单片机架构，到微观的指令执行，再到具体的硬件外设控制，整个知识体系的构建非常流畅，层层递进。作者在讲解某个外设时，会先回顾它与CPU的关系，然后深入介绍其工作原理，最后通过实际代码来验证。这种“由表及里，由浅入深”的讲解方式，让我能够轻松地理解和掌握知识点。即使遇到一些比较复杂的概念，比如定时器的工作模式，作者也会通过图示和详细的文字说明，帮助我们理清思路。不像有些书籍，突然冒出一个新概念，然后又突然跳到另一个完全不相关的章节，让人感到困惑和迷茫。这本书的结构就像一条清晰的脉络，引导着读者一步步深入单片机的世界。

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本书在涉及存储器管理的部分，也做到了理论与实践的完美结合。它不仅仅是简单地介绍了RAM和ROM的区别，而是深入探讨了存储器的组织结构、寻址方式以及在单片机系统中的具体应用。我对于书中关于数据存储和程序存储的讲解印象深刻，特别是对变量在不同存储区域的分配以及对程序代码在ROM中的存放方式的解释，让我对单片机的内存布局有了更清晰的认识。此外，书中还涉及到了EEPROM等非易失性存储器的使用，这对于需要保存配置信息或者实时数据记录的应用场景非常有价值。作者通过实例演示了如何进行数据的读写操作，并且对可能出现的擦写次数限制等问题也给出了相应的建议，这都是非常实用的经验之谈。

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这本书在深入讲解单片机硬件知识的同时，非常注重实践的结合，这一点让我惊喜不已。它不仅仅停留在理论的层面，而是通过大量的实用案例，将抽象的原理具象化。从最基础的LED闪烁，到更复杂的按键识别、定时器控制、ADC采样，每一个章节都提供了详细的代码实现和硬件连接图。我特别欣赏的是，作者在讲解每个案例时，都会先分析其工作原理，然后再给出具体的代码，并且对每一行代码都进行了详细的注释，这对于我这种需要边学边练的读者来说，简直是福音。当我按照书中的步骤，亲手搭建电路，然后将代码烧录进去，看到LED按照我的设想规律地闪烁时，那种成就感是难以言喻的。更难得的是，书中还涉及到了一些进阶的模块，比如串行通信（UART）和SPI接口，这些都是实际项目中非常常用的通信方式，书中对它们的讲解既有理论深度，又有实践指导，让我受益匪浅。

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这本书的另一个亮点在于它对编程语言的运用和讲解。虽然是单片机原理教程，但它并没有回避 C 语言，反而巧妙地将 C 语言与单片机硬件紧密结合。作者在讲解过程中，充分考虑到了初学者可能遇到的 C 语言难点，比如指针、位操作等，并且在结合单片机应用场景时，对这些概念进行了生动形象的解释。我印象最深的是关于位操作的部分，书中通过对寄存器进行“读-改-写”的操作，将原本复杂的硬件控制逻辑变得清晰易懂。例如，在控制IO口输出高低电平时，作者不是简单地给出一个函数调用，而是深入讲解了如何通过直接操作寄存器的特定位来实现，这让我对底层硬件的控制有了更深的理解。而且，书中的代码示例非常规范，符合业界常用的编程风格，这对于我将来进行更复杂的项目开发非常有帮助。

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这本书在处理“异常”和“中断”等高级话题时，展现出了其独到之处。通常，这些内容是初学者容易感到晦涩难懂的部分，但《单片机原理实用教程》却将其处理得恰到好处。作者没有止步于概念的介绍，而是深入剖析了异常和中断的产生机制，以及它们在实时系统中的重要作用。我特别喜欢它对中断向量表和中断优先级管理的讲解，这些内容直接关系到程序的稳定性和响应速度。书中通过具体的代码示例，演示了如何编写中断服务程序，以及如何处理多重中断的优先级问题。这一点对于开发那些需要精确控制时序和快速响应外部事件的系统至关重要。我曾遇到过一个项目，因为对中断理解不够深入，导致程序出现奇怪的bug，如果当时能有这本书作为参考，相信可以少走很多弯路。

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最后，这本书的附录部分也堪称宝藏。里面包含了大量的参考资料，比如各种常用指令的助记符，不同类型单片机的引脚定义，以及一些常用寄存器的说明。这些附录信息对于我们在实际开发过程中进行查阅和参考，提供了极大的便利。我曾经因为找不到某个寄存器的具体说明而耽误了不少时间，有了这本书，这类情况大大减少。而且，书中还提供了一些调试技巧和常见问题的解决方法，这对于提升我们的开发效率和解决问题的能力非常有帮助。总而言之，这本书不仅仅是一本教材，更像是一位经验丰富的单片机工程师，在用心地指导着我们。

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这本书在处理与上位机通信的部分，也做得非常出色。单片机往往需要与计算机进行数据交换，而书中对串口通信（UART）的讲解，可以说是深入浅出。它不仅讲解了UART的工作原理，还详细介绍了如何在单片机端和PC端进行数据收发的编程实现。我特别喜欢它在PC端通信程序编写方面的指导，比如使用VC++或者Python来接收和发送数据，这为我构建完整的嵌入式系统提供了重要的参考。书中还对通信过程中的一些常见问题，如波特率匹配、数据校验等进行了详细的解释和解决方法的建议。这对于我完成许多需要人机交互的嵌入式项目非常有帮助。

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在讲解不同型号的单片机时，这本书展现了其“实用”二字的精髓。它并不是仅仅局限于某一个特定的型号，而是选取了具有代表性的系列，并重点讲解了它们的共性原理和典型应用。这种做法非常明智，因为它能够让读者在掌握了基础原理之后，触类旁通，更容易迁移到其他系列的单片机开发上。书中对不同型号单片机在寄存器、指令集以及外设接口上的差异进行了细致的对比和说明，并提供了相应的代码示例。这使得读者在实际项目选择单片机时，能够做到心中有数，并且在面对不同芯片时，也能快速上手。我曾经在项目中遇到过需要切换单片机型号的情况，如果当初有这本书的指导，相信会更加顺利。

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