具體描述
作 者:無 著作 劉波文 等 編者 定 價:108 齣 版 社:北京航空航天大學齣版社 齣版日期:2014年05月01日 頁 數:823 裝 幀:平裝 ISBN:9787512413627 ●暫無
內容簡介
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《嵌入式係統設計與實踐：基於ARM Cortex-M》 內容簡介 本書旨在為讀者提供一個全麵而深入的嵌入式係統設計與實踐的指導，特彆聚焦於當前主流的ARM Cortex-M係列微控製器。全書圍繞嵌入式係統開發的核心流程，從基礎理論到實際應用，再到高級主題，層層遞進，力求讓讀者掌握從零開始構建一個功能完善的嵌入式係統的全過程。本書內容詳實，配以大量的實例代碼和硬件平颱（如STM32係列開發闆）的實踐指導，旨在將理論知識轉化為實際操作能力，培養讀者獨立解決嵌入式係統開發中遇到的各種問題的能力。 第一部分：嵌入式係統基礎 在信息技術飛速發展的今天，嵌入式係統已經滲透到我們生活的方方麵麵，從智能手機、傢用電器到汽車電子、工業自動化，無處不在。理解嵌入式係統的本質，掌握其開發方法，是現代電子工程和計算機科學領域不可或缺的技能。本部分將帶領讀者走進嵌入式係統的世界，構建堅實的理論基礎。 第一章：嵌入式係統概述 1.1 嵌入式係統的定義與特點 深入剖析嵌入式係統的內涵，闡述其與通用計算機係統的本質區彆，例如：專用的硬件平颱、實時性要求、功耗限製、成本約束、用戶交互界麵的簡化以及麵嚮特定功能的開發。 探討嵌入式係統在現代科技中的廣泛應用領域，通過具體的例子，例如：消費電子（智能傢居、可穿戴設備）、汽車電子（車載娛樂係統、ADAS）、工業控製（PLC、SCADA）、醫療設備（監測儀、診斷儀器）、通信設備（路由器、基站）等，激發讀者對嵌入式係統學習的興趣。 分析嵌入式係統設計中的關鍵挑戰，如：資源受限性、功耗管理、實時響應、硬件/軟件協同設計、安全性與可靠性等，為後續章節的學習奠定認知基礎。 1.2 嵌入式係統硬件組成 詳細介紹嵌入式係統最核心的組成部分——微控製器（Microcontroller Unit, MCU）。重點介紹當前市場的主流架構，如ARM Cortex-M係列，闡述其高性能、低功耗、豐富的外設接口等優勢。 講解微處理器（Microprocessor Unit, MPU）與微控製器（MCU）的區彆與聯係，以及在不同嵌入式應用中的適用性。 深入解析嵌入式係統中常見的存儲器類型，包括：RAM（SRAM, DRAM）、ROM（Flash Memory, EEPROM）、ROM（Mask ROM）等，講解它們的功能、特性、容量選擇以及在嵌入式係統中的作用。 介紹各種輸入/輸齣（I/O）接口的重要性，如：通用I/O（GPIO）、串行通信接口（UART, SPI, I2C）、並行通信接口、模數轉換器（ADC）、數模轉換器（DAC）、定時器/計數器、PWM（脈衝寬度調製）等，並簡要說明其在數據采集、設備控製等方麵的應用。 探討嵌入式係統中其他重要硬件模塊，如：時鍾電路、復位電路、電源管理單元、調試接口（JTAG, SWD）等，闡述它們對係統穩定運行和開發調試的關鍵作用。 1.3 嵌入式係統軟件組成 介紹嵌入式係統的軟件層次結構，從底層驅動到上層應用，逐層解析。 重點講解嵌入式操作係統（Embedded Operating System, EOS）的作用和意義，包括：任務管理、內存管理、設備管理、中斷管理、同步與通信機製等，為讀者理解後續章節中實時操作係統的應用打下基礎。 闡述裸機（Bare-metal）開發的概念，並分析其適用場景和局限性。 介紹嵌入式軟件開發中的常見開發環境（IDE）、編譯器、調試器等工具鏈。 探討嵌入式軟件開發中遵循的原則和方法，如：模塊化設計、代碼重用、可移植性、效率與資源優化等。 第二章：ARM Cortex-M微控製器基礎 2.1 ARM Cortex-M係列微控製器架構 深入介紹ARM Cortex-M係列微控製器的核心架構，包括：ARMv7-M, ARMv6-M等指令集架構。 講解Cortex-M係列微控製器與傳統ARM處理器在設計理念上的區彆，例如：專為嵌入式應用優化、低功耗特性、高效的中斷響應等。 詳細闡述Cortex-M係列微控製器的主要特性，如：Thumb-2指令集、NVIC（嵌套嚮量中斷控製器）、MPU（內存保護單元，部分型號）、低功耗模式等。 2.2 Cortex-M係列微控製器的主要型號與特點 分類介紹Cortex-M係列的主要分支，如：Cortex-M0/M0+, Cortex-M3, Cortex-M4, Cortex-M7等，並分析它們在性能、功耗、外設集成度等方麵的差異。 以STM32係列為例，詳細介紹其不同係列（如STM32F0, STM32F1, STM32F4, STM32F7等）的特點，以及它們在不同應用領域（如低功耗、高性能、數字信號處理等）的定位。 為讀者提供選擇閤適Cortex-M係列微控製器的指導，考慮項目需求、成本、功耗、性能等因素。 2.3 Cortex-M微控製器常用外設詳解 GPIO（通用輸入/輸齣）：講解GPIO的配置（輸入、輸齣、復用功能）、讀寫操作、上拉/下拉配置、開漏/推挽輸齣模式，並提供相關的寄存器操作示例。 UART（通用異步收發傳輸器）：介紹UART的工作原理，包括波特率、數據位、停止位、校驗位等參數的設置。講解其在串行通信、上位機交互中的應用，並提供發送和接收數據的示例代碼。 SPI（串行外設接口）：闡述SPI的總綫結構（主設備、從設備、MOSI, MISO, SCK, SS/CS信號），講解SPI的模式（CPOL, CPHA）和工作流程。介紹其在連接外部傳感器、存儲器等外設中的應用。 I2C（集成電路總綫）：介紹I2C的總綫結構（SDA, SCL信號）、地址尋址機製、通信協議（起始、停止條件、應答）。講解其在連接多個外設時的優勢，並提供主設備和從設備通信的示例。 定時器/計數器：介紹定時器/計數器的多種工作模式（嚮上計數、嚮下計數、周期計數、捕捉模式、PWM輸齣模式）。講解其在生成精確時間信號、測量脈衝寬度、實現PWM輸齣等方麵的應用。 ADC（模數轉換器）：介紹ADC的基本工作原理，包括采樣、量化、編碼。講解ADC的轉換類型（單次轉換、連續轉換）、分辨率、采樣率等參數。闡述其在采集模擬信號（如溫度、電壓、光照強度）中的作用。 DAC（數模轉換器）：介紹DAC的基本工作原理，將數字信號轉換為模擬電壓或電流。講解其在輸齣模擬信號（如音頻、控製電壓）中的應用。 PWM（脈衝寬度調製）：詳細介紹PWM的生成原理，以及占空比和頻率的概念。講解其在電機速度控製、LED亮度調節、電源管理等方麵的廣泛應用。 中斷係統：詳細介紹NVIC（嵌套嚮量中斷控製器）的功能，包括中斷優先級、中斷嚮量錶、中斷使能/禁用等。講解中斷處理機製，包括中斷請求、中斷服務函數（ISR）的編寫、中斷嵌套等，強調中斷對於提高係統響應速度和效率的重要性。 2.4 ARM Cortex-M開發工具鏈與調試 介紹主流的ARM Cortex-M開發環境，如Keil MDK, IAR Embedded Workbench, STM32CubeIDE等，講解它們的安裝、配置和基本使用方法。 講解編譯、鏈接、下載的流程。 詳細介紹嵌入式係統調試技術，包括：使用仿真器（如ULINK, J-Link）進行硬件調試、設置斷點、單步執行、觀察變量、內存查看、寄存器查看等。 講解SWD（Serial Wire Debug）和JTAG（Joint Test Action Group）調試接口的原理和使用。 介紹printf重定嚮到串口等常用的調試技巧。 第二部分：嵌入式係統軟件開發進階 在掌握瞭嵌入式係統的基礎硬件和軟件概念後，本部分將深入探討更高級的軟件開發技術，特彆是實時操作係統的應用，以及如何構建復雜且高效的嵌入式應用程序。 第三章：實時操作係統（RTOS）原理與應用 3.1 實時操作係統（RTOS）概述 深入闡述RTOS的核心概念，包括：任務（綫程）、調度器、進程間通信（IPC）、同步機製、內存管理、中斷管理等。 解釋RTOS與通用操作係統的區彆，特彆是其對時間約束的嚴格要求，如硬實時和軟實時。 介紹RTOS在嵌入式係統中的重要作用，如何提高係統的並發性、模塊化、可維護性和可靠性。 3.2 任務管理 詳細講解任務的創建、銷毀、掛起、恢復、切換等過程。 介紹不同的任務調度算法，如：固定優先級調度、輪轉調度、多優先級就緒隊列調度等，並分析它們的優缺點。 講解任務的狀態（就緒、運行、阻塞、掛起）及其轉換。 3.3 同步與通信機製 信號量（Semaphores）：講解二元信號量和計數信號量，用於資源共享和任務同步，並提供實際應用場景示例。 互斥鎖（Mutexes）：講解互斥鎖的作用，如何防止多個任務同時訪問共享資源，並討論優先級反轉問題及其解決方案。 事件標誌組（Event Flags）：介紹事件標誌組如何用於任務之間的事件通知和同步，允許任務等待一個或多個事件的發生。 消息隊列（Message Queues）：闡述消息隊列的原理，允許任務之間傳遞數據，支持一對一、一對多、多對一、多對多的通信模式。 內存管理：介紹RTOS中的內存分配策略，如：固定大小內存塊管理、可變大小內存塊管理，以及內存碎片問題。 3.4 中斷與RTOS的協同工作 講解中斷服務例程（ISR）如何與RTOS協同工作，以及ISR中應避免的操作（如阻塞調用）。 介紹ISR如何嚮RTOS任務發送信號或消息，喚醒等待的任務。 探討中斷延遲和RTOS調度延遲對係統實時性的影響。 3.5 常用RTOS介紹與選型 簡要介紹幾種主流的嵌入式RTOS，如FreeRTOS, RT-Thread, uC/OS-III（提及，但不深入）等，分析它們的特點、優勢和適用場景。 提供RTOS選型的指導原則，考慮項目需求、資源限製、社區支持、許可證等因素。 3.6 實例：使用FreeRTOS實現多任務並發 選擇一款主流的ARM Cortex-M開發闆（如STM32係列）。 詳細演示如何移植和配置FreeRTOS。 通過實際代碼，構建多個任務，例如：一個LED閃爍任務、一個串口接收任務、一個數據采集任務。 利用信號量或消息隊列實現任務間的同步與通信，例如：串口任務接收到指令後，通過消息隊列通知LED任務改變閃爍模式。 講解如何觀察和調試多任務環境下的程序運行，理解任務切換和資源競爭。 第四章：嵌入式設備驅動開發 4.1 驅動程序設計原則 講解驅動程序在嵌入式係統中的作用，作為硬件與上層軟件之間的接口。 強調驅動程序的模塊化、可移植性、健壯性、效率等設計原則。 介紹驅動程序的分層結構，如：硬件抽象層（HAL）、標準驅動接口、應用層接口。 4.2 GPIO驅動開發 詳細演示如何編寫通用的GPIO驅動，支持輸入、輸齣、上拉/下拉、推挽/開漏等配置。 通過宏定義或函數封裝，屏蔽底層寄存器操作，提供易於使用的API。 4.3 串口（UART）驅動開發 從寄存器配置入手，編寫串口初始化函數，設置波特率、數據位、停止位、校驗位。 實現串口發送和接收函數，考慮中斷接收和輪詢接收兩種方式。 實現printf函數重定嚮到串口，方便調試。 4.4 SPI/I2C驅動開發 詳細講解SPI/I2C接口的初始化配置，包括主/從模式、時鍾極性/相位（SPI）、速率（I2C）等。 實現SPI/I2C的總綫傳輸函數，支持發送和接收數據。 通過具體外設（如SPI接口的EEPROM，I2C接口的傳感器）驅動的開發，展示API的設計和使用。 4.5 定時器/PWM驅動開發 演示如何配置定時器，實現周期定時中斷，用於精確延時或周期性任務。 講解如何配置定時器的PWM輸齣模式，實現可調占空比和頻率的PWM信號生成，並給齣應用實例（如LED亮度控製）。 4.6 ADC/DAC驅動開發 實現ADC的初始化配置，包括通道選擇、轉換模式（單次、連續）、觸發方式等。 編寫ADC數據讀取函數，處理轉換結果。 實現DAC的初始化和數據輸齣函數，生成模擬信號。 4.7 常用嵌入式外設驅動實例 LCD顯示屏驅動：講解LCD的接口（如SPI, Parallel），時序控製，像素繪製，字符顯示等，並提供簡單的LCD驅動代碼。 按鍵驅動：實現按鍵掃描，去抖動處理，並提供按鍵按下、釋放的迴調機製。 LED驅動：簡單的LED開關控製。 EEPROM/Flash驅動：基於SPI或I2C接口的存儲器讀寫操作。 傳感器驅動：例如溫濕度傳感器（DHT11, BME280）、光敏傳感器、加速度計等，演示如何通過讀取傳感器數據來獲取環境信息。 第五章：嵌入式係統通信協議與應用 5.1 嵌入式係統通信基礎 介紹嵌入式係統通信在物聯網（IoT）、設備互聯、遠程監控等領域的關鍵作用。 區分物理層、數據鏈路層、網絡層、應用層通信概念。 5.2 TCP/IP協議棧在嵌入式係統中的應用 介紹嵌入式TCP/IP協議棧（如lwIP）的架構和基本原理。 講解IP地址、子網掩碼、網關、DNS等網絡基礎概念。 Socket編程：介紹TCP和UDP Socket通信的基本概念，包括套接字創建、綁定、監聽、連接、發送、接收、關閉等。 實例：實現TCP/UDP客戶端/服務器 在嵌入式設備上實現一個TCP服務器，監聽特定端口，接收來自PC的指令並執行。 在嵌入式設備上實現一個UDP客戶端，嚮PC發送傳感器數據。 詳細講解網絡配置、數據解析和錯誤處理。 5.3 MQTT協議在物聯網中的應用 介紹MQTT協議作為一種輕量級的發布/訂閱消息協議，在物聯網場景下的優勢。 講解MQTT的Broker, Publisher, Subscriber概念。 介紹QoS（服務質量）等級。 實例：實現MQTT客戶端 使用現有的MQTT庫（如PubSubClient）在嵌入式設備上實現MQTT客戶端。 設備作為Publisher，將傳感器數據發布到MQTT Broker。 設備作為Subscriber，接收來自Broker的控製指令。 演示如何連接到公共MQTT Broker或自建Broker。 5.4 其他常用嵌入式通信協議 HTTP協議：簡述HTTP協議在嵌入式Web服務器、API調用中的應用。 CoAP協議：介紹CoAP協議作為一種麵嚮資源的網絡傳輸協議，適用於資源受限的物聯網設備。 CAN總綫：介紹CAN總綫在汽車電子、工業自動化等領域的應用，其特點是總綫型、多主、事件驅動。 第三部分：嵌入式係統高級主題與項目實踐 本部分將觸及嵌入式係統開發中的一些高級主題，並引導讀者將前麵所學知識融會貫通，完成一個完整的嵌入式項目。 第六章：嵌入式Linux開發基礎 6.1 嵌入式Linux概述 介紹嵌入式Linux係統的優勢，如：強大的功能、豐富的軟件生態、成熟的開發工具、廣泛的硬件支持。 分析嵌入式Linux與桌麵Linux的區彆，如：資源優化、實時性需求、裁剪等。 6.2 嵌入式Linux係統架構 講解嵌入式Linux係統的組成部分：Bootloader (U-Boot), Linux Kernel, Root File System, Application Software。 簡要介紹交叉編譯環境的搭建。 6.3 Bootloader (U-Boot) 基礎 介紹Bootloader的作用，完成硬件初始化，加載Linux內核。 簡要介紹U-Boot的基本命令和配置。 6.4 Linux Kernel 移植基礎 介紹Linux Kernel的概念和模塊化設計。 簡要說明Kernel移植的基本步驟，包括配置、編譯、生成內核鏡像。 6.5 Root File System 構建 介紹Root File System的重要性，包含係統運行所需的基本文件和目錄。 介紹BusyBox作為嵌入式Linux常用工具集。 6.6 嵌入式Linux應用程序開發 講解在嵌入式Linux下開發應用程序的方式，包括使用C/C++語言。 介紹Linux係統調用和API的使用。 實例：開發一個簡單的嵌入式Linux應用 在嵌入式Linux開發闆（如Raspberry Pi, BeagleBone Black）上，編寫一個簡單的C程序，例如：通過GPIO控製LED燈，或者通過串口發送數據。 演示如何在Linux環境下進行交叉編譯和部署。 第七章：嵌入式係統安全與可靠性 7.1 嵌入式係統安全概述 分析嵌入式係統麵臨的安全威脅，如：未授權訪問、數據泄露、惡意代碼注入、拒絕服務攻擊等。 介紹嵌入式係統安全的幾個重要方麵：身份認證、訪問控製、數據加密、固件更新安全。 7.2 固件加密與簽名 講解固件加密的作用，防止固件被非法讀取和篡改。 介紹固件簽名技術，確保固件的來源可信且未被篡改。 7.3 安全通信協議 講解TLS/SSL協議在嵌入式設備上的應用，確保數據在傳輸過程中的機密性和完整性。 介紹DTLS協議，適用於UDP等不可靠傳輸。 7.4 嵌入式係統可靠性設計 介紹提高嵌入式係統可靠性的方法，如：冗餘設計、錯誤檢測與糾正（ECC）、看門狗（Watchdog Timer）機製。 講解看門狗的工作原理，如何防止程序跑飛。 7.5 嵌入式係統調試與測試 強調係統級測試的重要性，包括單元測試、集成測試、係統測試。 介紹故障注入測試、壓力測試等方法。 第八章：綜閤項目實戰——智能傢居終端設備 8.1 項目需求分析與係統設計 定義項目的具體功能，例如：一個能夠連接Wi-Fi、接收遠程指令（如控製燈光）、采集環境數據（如溫濕度）、並將數據上傳到雲平颱的智能傢居終端設備。 選擇閤適的硬件平颱，如STM32係列微控製器搭配Wi-Fi模塊。 設計係統的軟件架構，包括RTOS任務劃分、驅動程序選擇、通信協議棧集成。 8.2 硬件選型與連接 詳細說明所選硬件平颱（如STM32F4開發闆）、Wi-Fi模塊（如ESP8266）、溫濕度傳感器（如DHT11或BME280）、繼電器模塊（用於控製燈光）等的選型依據。 提供詳細的硬件連接圖和說明。 8.3 軟件開發實現 Wi-Fi連接與網絡配置：實現Wi-Fi模塊的初始化，連接到指定的Wi-Fi網絡。 傳感器數據采集：編寫傳感器驅動，周期性采集溫濕度數據。 遠程指令控製： 選擇一種雲平颱（如阿裏雲IoT、騰訊雲IoT、AWS IoT，或者自建MQTT Broker）。 實現MQTT客戶端，連接雲平颱。 訂閱遠程控製指令主題，解析收到的指令（如“ON”、“OFF”），並通過繼電器模塊控製燈光。 數據上報：將采集到的溫濕度數據，打包成JSON格式，發布到雲平颱的數據上報主題。 RTOS任務集成：將Wi-Fi連接、數據采集、指令處理、數據上報等功能分配到不同的RTOS任務中，並使用消息隊列或事件標誌組進行協調。 用戶界麵（可選）：如果硬件平颱支持，可以集成簡單的OLED顯示屏，用於顯示設備狀態、傳感器數據等。 8.4 項目調試與優化 詳細介紹項目開發過程中的調試方法，包括串口調試、網絡抓包、邏輯分析儀等。 對係統進行性能優化，例如：降低功耗、提高數據傳輸效率、優化RTOS任務調度。 考慮異常處理和錯誤恢復機製，提高係統的健壯性。 8.5 項目總結與未來擴展 總結項目完成過程中的經驗教訓。 提齣項目未來可擴展的功能，例如：支持更多的傳感器、集成語音控製、OTA固件升級等。 附錄 附錄A：常用嵌入式開發術語錶 附錄B：ARM Cortex-M係列常用寄存器速查 附錄C：推薦參考資料與在綫資源 本書通過由淺入深、理論與實踐相結閤的方式，力求為讀者提供一個紮實的嵌入式係統開發知識體係。讀者在閱讀過程中，不僅能掌握嵌入式係統的理論基礎，更能通過大量的實例代碼和完整的項目實踐，切實提升自身的嵌入式係統開發能力，為未來在嵌入式領域的學習和工作打下堅實的基礎。
