具体描述
作 者:无 著作 刘波文 等 编者 定 价:108 出 版 社:北京航空航天大学出版社 出版日期:2014年05月01日 页 数:823 装 帧:平装 ISBN:9787512413627 ●暂无
内容简介
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《嵌入式系统设计与实践：基于ARM Cortex-M》 内容简介 本书旨在为读者提供一个全面而深入的嵌入式系统设计与实践的指导，特别聚焦于当前主流的ARM Cortex-M系列微控制器。全书围绕嵌入式系统开发的核心流程，从基础理论到实际应用，再到高级主题，层层递进，力求让读者掌握从零开始构建一个功能完善的嵌入式系统的全过程。本书内容详实，配以大量的实例代码和硬件平台（如STM32系列开发板）的实践指导，旨在将理论知识转化为实际操作能力，培养读者独立解决嵌入式系统开发中遇到的各种问题的能力。 第一部分：嵌入式系统基础 在信息技术飞速发展的今天，嵌入式系统已经渗透到我们生活的方方面面，从智能手机、家用电器到汽车电子、工业自动化，无处不在。理解嵌入式系统的本质，掌握其开发方法，是现代电子工程和计算机科学领域不可或缺的技能。本部分将带领读者走进嵌入式系统的世界，构建坚实的理论基础。 第一章：嵌入式系统概述 1.1 嵌入式系统的定义与特点 深入剖析嵌入式系统的内涵，阐述其与通用计算机系统的本质区别，例如：专用的硬件平台、实时性要求、功耗限制、成本约束、用户交互界面的简化以及面向特定功能的开发。 探讨嵌入式系统在现代科技中的广泛应用领域，通过具体的例子，例如：消费电子（智能家居、可穿戴设备）、汽车电子（车载娱乐系统、ADAS）、工业控制（PLC、SCADA）、医疗设备（监测仪、诊断仪器）、通信设备（路由器、基站）等，激发读者对嵌入式系统学习的兴趣。 分析嵌入式系统设计中的关键挑战，如：资源受限性、功耗管理、实时响应、硬件/软件协同设计、安全性与可靠性等，为后续章节的学习奠定认知基础。 1.2 嵌入式系统硬件组成 详细介绍嵌入式系统最核心的组成部分——微控制器（Microcontroller Unit, MCU）。重点介绍当前市场的主流架构，如ARM Cortex-M系列，阐述其高性能、低功耗、丰富的外设接口等优势。 讲解微处理器（Microprocessor Unit, MPU）与微控制器（MCU）的区别与联系，以及在不同嵌入式应用中的适用性。 深入解析嵌入式系统中常见的存储器类型，包括：RAM（SRAM, DRAM）、ROM（Flash Memory, EEPROM）、ROM（Mask ROM）等，讲解它们的功能、特性、容量选择以及在嵌入式系统中的作用。 介绍各种输入/输出（I/O）接口的重要性，如：通用I/O（GPIO）、串行通信接口（UART, SPI, I2C）、并行通信接口、模数转换器（ADC）、数模转换器（DAC）、定时器/计数器、PWM（脉冲宽度调制）等，并简要说明其在数据采集、设备控制等方面的应用。 探讨嵌入式系统中其他重要硬件模块，如：时钟电路、复位电路、电源管理单元、调试接口（JTAG, SWD）等，阐述它们对系统稳定运行和开发调试的关键作用。 1.3 嵌入式系统软件组成 介绍嵌入式系统的软件层次结构，从底层驱动到上层应用，逐层解析。 重点讲解嵌入式操作系统（Embedded Operating System, EOS）的作用和意义，包括：任务管理、内存管理、设备管理、中断管理、同步与通信机制等，为读者理解后续章节中实时操作系统的应用打下基础。 阐述裸机（Bare-metal）开发的概念，并分析其适用场景和局限性。 介绍嵌入式软件开发中的常见开发环境（IDE）、编译器、调试器等工具链。 探讨嵌入式软件开发中遵循的原则和方法，如：模块化设计、代码重用、可移植性、效率与资源优化等。 第二章：ARM Cortex-M微控制器基础 2.1 ARM Cortex-M系列微控制器架构 深入介绍ARM Cortex-M系列微控制器的核心架构，包括：ARMv7-M, ARMv6-M等指令集架构。 讲解Cortex-M系列微控制器与传统ARM处理器在设计理念上的区别，例如：专为嵌入式应用优化、低功耗特性、高效的中断响应等。 详细阐述Cortex-M系列微控制器的主要特性，如：Thumb-2指令集、NVIC（嵌套向量中断控制器）、MPU（内存保护单元，部分型号）、低功耗模式等。 2.2 Cortex-M系列微控制器的主要型号与特点 分类介绍Cortex-M系列的主要分支，如：Cortex-M0/M0+, Cortex-M3, Cortex-M4, Cortex-M7等，并分析它们在性能、功耗、外设集成度等方面的差异。 以STM32系列为例，详细介绍其不同系列（如STM32F0, STM32F1, STM32F4, STM32F7等）的特点，以及它们在不同应用领域（如低功耗、高性能、数字信号处理等）的定位。 为读者提供选择合适Cortex-M系列微控制器的指导，考虑项目需求、成本、功耗、性能等因素。 2.3 Cortex-M微控制器常用外设详解 GPIO（通用输入/输出）：讲解GPIO的配置（输入、输出、复用功能）、读写操作、上拉/下拉配置、开漏/推挽输出模式，并提供相关的寄存器操作示例。 UART（通用异步收发传输器）：介绍UART的工作原理，包括波特率、数据位、停止位、校验位等参数的设置。讲解其在串行通信、上位机交互中的应用，并提供发送和接收数据的示例代码。 SPI（串行外设接口）：阐述SPI的总线结构（主设备、从设备、MOSI, MISO, SCK, SS/CS信号），讲解SPI的模式（CPOL, CPHA）和工作流程。介绍其在连接外部传感器、存储器等外设中的应用。 I2C（集成电路总线）：介绍I2C的总线结构（SDA, SCL信号）、地址寻址机制、通信协议（起始、停止条件、应答）。讲解其在连接多个外设时的优势，并提供主设备和从设备通信的示例。 定时器/计数器：介绍定时器/计数器的多种工作模式（向上计数、向下计数、周期计数、捕捉模式、PWM输出模式）。讲解其在生成精确时间信号、测量脉冲宽度、实现PWM输出等方面的应用。 ADC（模数转换器）：介绍ADC的基本工作原理，包括采样、量化、编码。讲解ADC的转换类型（单次转换、连续转换）、分辨率、采样率等参数。阐述其在采集模拟信号（如温度、电压、光照强度）中的作用。 DAC（数模转换器）：介绍DAC的基本工作原理，将数字信号转换为模拟电压或电流。讲解其在输出模拟信号（如音频、控制电压）中的应用。 PWM（脉冲宽度调制）：详细介绍PWM的生成原理，以及占空比和频率的概念。讲解其在电机速度控制、LED亮度调节、电源管理等方面的广泛应用。 中断系统：详细介绍NVIC（嵌套向量中断控制器）的功能，包括中断优先级、中断向量表、中断使能/禁用等。讲解中断处理机制，包括中断请求、中断服务函数（ISR）的编写、中断嵌套等，强调中断对于提高系统响应速度和效率的重要性。 2.4 ARM Cortex-M开发工具链与调试 介绍主流的ARM Cortex-M开发环境，如Keil MDK, IAR Embedded Workbench, STM32CubeIDE等，讲解它们的安装、配置和基本使用方法。 讲解编译、链接、下载的流程。 详细介绍嵌入式系统调试技术，包括：使用仿真器（如ULINK, J-Link）进行硬件调试、设置断点、单步执行、观察变量、内存查看、寄存器查看等。 讲解SWD（Serial Wire Debug）和JTAG（Joint Test Action Group）调试接口的原理和使用。 介绍printf重定向到串口等常用的调试技巧。 第二部分：嵌入式系统软件开发进阶 在掌握了嵌入式系统的基础硬件和软件概念后，本部分将深入探讨更高级的软件开发技术，特别是实时操作系统的应用，以及如何构建复杂且高效的嵌入式应用程序。 第三章：实时操作系统（RTOS）原理与应用 3.1 实时操作系统（RTOS）概述 深入阐述RTOS的核心概念，包括：任务（线程）、调度器、进程间通信（IPC）、同步机制、内存管理、中断管理等。 解释RTOS与通用操作系统的区别，特别是其对时间约束的严格要求，如硬实时和软实时。 介绍RTOS在嵌入式系统中的重要作用，如何提高系统的并发性、模块化、可维护性和可靠性。 3.2 任务管理 详细讲解任务的创建、销毁、挂起、恢复、切换等过程。 介绍不同的任务调度算法，如：固定优先级调度、轮转调度、多优先级就绪队列调度等，并分析它们的优缺点。 讲解任务的状态（就绪、运行、阻塞、挂起）及其转换。 3.3 同步与通信机制 信号量（Semaphores）：讲解二元信号量和计数信号量，用于资源共享和任务同步，并提供实际应用场景示例。 互斥锁（Mutexes）：讲解互斥锁的作用，如何防止多个任务同时访问共享资源，并讨论优先级反转问题及其解决方案。 事件标志组（Event Flags）：介绍事件标志组如何用于任务之间的事件通知和同步，允许任务等待一个或多个事件的发生。 消息队列（Message Queues）：阐述消息队列的原理，允许任务之间传递数据，支持一对一、一对多、多对一、多对多的通信模式。 内存管理：介绍RTOS中的内存分配策略，如：固定大小内存块管理、可变大小内存块管理，以及内存碎片问题。 3.4 中断与RTOS的协同工作 讲解中断服务例程（ISR）如何与RTOS协同工作，以及ISR中应避免的操作（如阻塞调用）。 介绍ISR如何向RTOS任务发送信号或消息，唤醒等待的任务。 探讨中断延迟和RTOS调度延迟对系统实时性的影响。 3.5 常用RTOS介绍与选型 简要介绍几种主流的嵌入式RTOS，如FreeRTOS, RT-Thread, uC/OS-III（提及，但不深入）等，分析它们的特点、优势和适用场景。 提供RTOS选型的指导原则，考虑项目需求、资源限制、社区支持、许可证等因素。 3.6 实例：使用FreeRTOS实现多任务并发 选择一款主流的ARM Cortex-M开发板（如STM32系列）。 详细演示如何移植和配置FreeRTOS。 通过实际代码，构建多个任务，例如：一个LED闪烁任务、一个串口接收任务、一个数据采集任务。 利用信号量或消息队列实现任务间的同步与通信，例如：串口任务接收到指令后，通过消息队列通知LED任务改变闪烁模式。 讲解如何观察和调试多任务环境下的程序运行，理解任务切换和资源竞争。 第四章：嵌入式设备驱动开发 4.1 驱动程序设计原则 讲解驱动程序在嵌入式系统中的作用，作为硬件与上层软件之间的接口。 强调驱动程序的模块化、可移植性、健壮性、效率等设计原则。 介绍驱动程序的分层结构，如：硬件抽象层（HAL）、标准驱动接口、应用层接口。 4.2 GPIO驱动开发 详细演示如何编写通用的GPIO驱动，支持输入、输出、上拉/下拉、推挽/开漏等配置。 通过宏定义或函数封装，屏蔽底层寄存器操作，提供易于使用的API。 4.3 串口（UART）驱动开发 从寄存器配置入手，编写串口初始化函数，设置波特率、数据位、停止位、校验位。 实现串口发送和接收函数，考虑中断接收和轮询接收两种方式。 实现printf函数重定向到串口，方便调试。 4.4 SPI/I2C驱动开发 详细讲解SPI/I2C接口的初始化配置，包括主/从模式、时钟极性/相位（SPI）、速率（I2C）等。 实现SPI/I2C的总线传输函数，支持发送和接收数据。 通过具体外设（如SPI接口的EEPROM，I2C接口的传感器）驱动的开发，展示API的设计和使用。 4.5 定时器/PWM驱动开发 演示如何配置定时器，实现周期定时中断，用于精确延时或周期性任务。 讲解如何配置定时器的PWM输出模式，实现可调占空比和频率的PWM信号生成，并给出应用实例（如LED亮度控制）。 4.6 ADC/DAC驱动开发 实现ADC的初始化配置，包括通道选择、转换模式（单次、连续）、触发方式等。 编写ADC数据读取函数，处理转换结果。 实现DAC的初始化和数据输出函数，生成模拟信号。 4.7 常用嵌入式外设驱动实例 LCD显示屏驱动：讲解LCD的接口（如SPI, Parallel），时序控制，像素绘制，字符显示等，并提供简单的LCD驱动代码。 按键驱动：实现按键扫描，去抖动处理，并提供按键按下、释放的回调机制。 LED驱动：简单的LED开关控制。 EEPROM/Flash驱动：基于SPI或I2C接口的存储器读写操作。 传感器驱动：例如温湿度传感器（DHT11, BME280）、光敏传感器、加速度计等，演示如何通过读取传感器数据来获取环境信息。 第五章：嵌入式系统通信协议与应用 5.1 嵌入式系统通信基础 介绍嵌入式系统通信在物联网（IoT）、设备互联、远程监控等领域的关键作用。 区分物理层、数据链路层、网络层、应用层通信概念。 5.2 TCP/IP协议栈在嵌入式系统中的应用 介绍嵌入式TCP/IP协议栈（如lwIP）的架构和基本原理。 讲解IP地址、子网掩码、网关、DNS等网络基础概念。 Socket编程：介绍TCP和UDP Socket通信的基本概念，包括套接字创建、绑定、监听、连接、发送、接收、关闭等。 实例：实现TCP/UDP客户端/服务器 在嵌入式设备上实现一个TCP服务器，监听特定端口，接收来自PC的指令并执行。 在嵌入式设备上实现一个UDP客户端，向PC发送传感器数据。 详细讲解网络配置、数据解析和错误处理。 5.3 MQTT协议在物联网中的应用 介绍MQTT协议作为一种轻量级的发布/订阅消息协议，在物联网场景下的优势。 讲解MQTT的Broker, Publisher, Subscriber概念。 介绍QoS（服务质量）等级。 实例：实现MQTT客户端 使用现有的MQTT库（如PubSubClient）在嵌入式设备上实现MQTT客户端。 设备作为Publisher，将传感器数据发布到MQTT Broker。 设备作为Subscriber，接收来自Broker的控制指令。 演示如何连接到公共MQTT Broker或自建Broker。 5.4 其他常用嵌入式通信协议 HTTP协议：简述HTTP协议在嵌入式Web服务器、API调用中的应用。 CoAP协议：介绍CoAP协议作为一种面向资源的网络传输协议，适用于资源受限的物联网设备。 CAN总线：介绍CAN总线在汽车电子、工业自动化等领域的应用，其特点是总线型、多主、事件驱动。 第三部分：嵌入式系统高级主题与项目实践 本部分将触及嵌入式系统开发中的一些高级主题，并引导读者将前面所学知识融会贯通，完成一个完整的嵌入式项目。 第六章：嵌入式Linux开发基础 6.1 嵌入式Linux概述 介绍嵌入式Linux系统的优势，如：强大的功能、丰富的软件生态、成熟的开发工具、广泛的硬件支持。 分析嵌入式Linux与桌面Linux的区别，如：资源优化、实时性需求、裁剪等。 6.2 嵌入式Linux系统架构 讲解嵌入式Linux系统的组成部分：Bootloader (U-Boot), Linux Kernel, Root File System, Application Software。 简要介绍交叉编译环境的搭建。 6.3 Bootloader (U-Boot) 基础 介绍Bootloader的作用，完成硬件初始化，加载Linux内核。 简要介绍U-Boot的基本命令和配置。 6.4 Linux Kernel 移植基础 介绍Linux Kernel的概念和模块化设计。 简要说明Kernel移植的基本步骤，包括配置、编译、生成内核镜像。 6.5 Root File System 构建 介绍Root File System的重要性，包含系统运行所需的基本文件和目录。 介绍BusyBox作为嵌入式Linux常用工具集。 6.6 嵌入式Linux应用程序开发 讲解在嵌入式Linux下开发应用程序的方式，包括使用C/C++语言。 介绍Linux系统调用和API的使用。 实例：开发一个简单的嵌入式Linux应用 在嵌入式Linux开发板（如Raspberry Pi, BeagleBone Black）上，编写一个简单的C程序，例如：通过GPIO控制LED灯，或者通过串口发送数据。 演示如何在Linux环境下进行交叉编译和部署。 第七章：嵌入式系统安全与可靠性 7.1 嵌入式系统安全概述 分析嵌入式系统面临的安全威胁，如：未授权访问、数据泄露、恶意代码注入、拒绝服务攻击等。 介绍嵌入式系统安全的几个重要方面：身份认证、访问控制、数据加密、固件更新安全。 7.2 固件加密与签名 讲解固件加密的作用，防止固件被非法读取和篡改。 介绍固件签名技术，确保固件的来源可信且未被篡改。 7.3 安全通信协议 讲解TLS/SSL协议在嵌入式设备上的应用，确保数据在传输过程中的机密性和完整性。 介绍DTLS协议，适用于UDP等不可靠传输。 7.4 嵌入式系统可靠性设计 介绍提高嵌入式系统可靠性的方法，如：冗余设计、错误检测与纠正（ECC）、看门狗（Watchdog Timer）机制。 讲解看门狗的工作原理，如何防止程序跑飞。 7.5 嵌入式系统调试与测试 强调系统级测试的重要性，包括单元测试、集成测试、系统测试。 介绍故障注入测试、压力测试等方法。 第八章：综合项目实战——智能家居终端设备 8.1 项目需求分析与系统设计 定义项目的具体功能，例如：一个能够连接Wi-Fi、接收远程指令（如控制灯光）、采集环境数据（如温湿度）、并将数据上传到云平台的智能家居终端设备。 选择合适的硬件平台，如STM32系列微控制器搭配Wi-Fi模块。 设计系统的软件架构，包括RTOS任务划分、驱动程序选择、通信协议栈集成。 8.2 硬件选型与连接 详细说明所选硬件平台（如STM32F4开发板）、Wi-Fi模块（如ESP8266）、温湿度传感器（如DHT11或BME280）、继电器模块（用于控制灯光）等的选型依据。 提供详细的硬件连接图和说明。 8.3 软件开发实现 Wi-Fi连接与网络配置：实现Wi-Fi模块的初始化，连接到指定的Wi-Fi网络。 传感器数据采集：编写传感器驱动，周期性采集温湿度数据。 远程指令控制： 选择一种云平台（如阿里云IoT、腾讯云IoT、AWS IoT，或者自建MQTT Broker）。 实现MQTT客户端，连接云平台。 订阅远程控制指令主题，解析收到的指令（如“ON”、“OFF”），并通过继电器模块控制灯光。 数据上报：将采集到的温湿度数据，打包成JSON格式，发布到云平台的数据上报主题。 RTOS任务集成：将Wi-Fi连接、数据采集、指令处理、数据上报等功能分配到不同的RTOS任务中，并使用消息队列或事件标志组进行协调。 用户界面（可选）：如果硬件平台支持，可以集成简单的OLED显示屏，用于显示设备状态、传感器数据等。 8.4 项目调试与优化 详细介绍项目开发过程中的调试方法，包括串口调试、网络抓包、逻辑分析仪等。 对系统进行性能优化，例如：降低功耗、提高数据传输效率、优化RTOS任务调度。 考虑异常处理和错误恢复机制，提高系统的健壮性。 8.5 项目总结与未来扩展 总结项目完成过程中的经验教训。 提出项目未来可扩展的功能，例如：支持更多的传感器、集成语音控制、OTA固件升级等。 附录 附录A：常用嵌入式开发术语表 附录B：ARM Cortex-M系列常用寄存器速查 附录C：推荐参考资料与在线资源 本书通过由浅入深、理论与实践相结合的方式，力求为读者提供一个扎实的嵌入式系统开发知识体系。读者在阅读过程中，不仅能掌握嵌入式系统的理论基础，更能通过大量的实例代码和完整的项目实践，切实提升自身的嵌入式系统开发能力，为未来在嵌入式领域的学习和工作打下坚实的基础。
