嵌入式系统设计基础及应用——基于ARM Cortex-M4微处理器_郭建、陈刚、刘锦辉、江先阳、谢国琪、陈勉、谢勇_9787302595304

《嵌入式系统设计基础及应用》介绍了嵌入式系统的基本原理和基础知识。在硬件方面详细讲述了微处理器的系统架构、常见的总线与总线协议、存储器的分类和存储保护机制及相关的性能分析，并具体介绍了基于 ARM Cortex-M4微处理器的编程模式、中断机制、流水线技术、总线技术、存储器系统。在软件方面详细介绍了嵌入式系统软件开发的特点，并介绍了嵌入式 C语言开发的元素。编译器在嵌入式系统开发中起着重要的作用，翻译过程及优化技术对设计良好的嵌入式程序也至关重要，本书介绍了编译技术和优化方法，以及程序级的性能分析。实时操作系统是嵌入式软件开发的基础，因此介绍了嵌入式实时操作系统（以 C/OS Ⅲ为例）。另外，通过小系统设计开发的介绍，使读者了解嵌入式系统开发的整个过程。后介绍了嵌入式系统的调试、测试和验证方法，以及多核嵌入式微处理器。《嵌入式系统设计基础及应用》可作为高等院校软件工程、计算机、电子信息和电气工程、自动化、物联网等相关专业的本科生、研究生授课教材，也可作为广大从事嵌入式系统开发的工程技术人员的参考用书。

嵌入式系统涉及医疗设备、过程控制、通信、汽车、航空、航天、军事装备、消费类电子等众多领域。随着物联网、信息物理融合系统的发展，嵌入式系统技术已经得到飞速发展。
本书针对各个高校相关专业的本科生教学而设计，也可以作为研究生及嵌入式系统开发者的参考用书。本书以嵌入式系统的基本原理为主线，以ARM Cortex-M4芯核为基础，系统地介绍了嵌入式系统的硬件、软件基本知识，并通过小系统的设计开发流程阐述了嵌入式系统的开发，后介绍了多核微处理器架构。
全书共11章，分为嵌入式系统、硬件知识、软件知识、调试、小系统和多核系统6部分，其具体知识架构如图0.1所示。

图 0.1 本书的知识架构

本书立足于理论与实践相结合，从嵌入式系统开发的特点出发，努力做到内容的系统性、全面性、实践性、先进性和实用性。其系统性体现在内容涵盖嵌入式系统的基本知识、体系架构；全面性体现在对嵌入式的硬件、软件及调试等知识的全面介绍；实践性表现为以Cortex-M4芯核为基础，全面介绍了基于Cortex-M4的嵌入式系统的开发方法；先进性和实用性体现在以目前常用的嵌入式芯核Cortex-M4为平台，介绍其上的软件开发及小系统的设计。
在本书编写过程中，参考了国内已出版的同类图书(见参考文献[1]～[14])，在吸收这些文献的精华和优点的同时，本书还具有如下特色。
（1）图文并茂，以增加读者对嵌入式系统的理解。
（2）取材新颖、阐述严谨、内容丰富、重点突出、推导详尽、思路清晰、深入浅出、富启发性，便于教学与自学。
（3）以嵌入式系统设计方法和过程为主线，介绍各个重要环节的知识，并关注性能、能耗。
（4）通过一章（第7章）介绍如何综合各个知识点，完成嵌入式系统的开发。
（5）本书配套资源丰富：程序代码、教学课件、教学大纲、习题答案等资源，请扫描下方二维码下载或到清华大学出版社官方网站本书页面下载；配套实验教材《嵌入式系统设计实验教程》（ISBN：9787302593850），提供13个基础实例和1个综合实例；MOOC课程中国大学MOOC嵌入式系统设计（华东师范大学，郭建），供读者学习参考。

全书由多所高校联合编写，其中华东师范大学郭建主持编写并负责第6~11章统稿，武汉大学江先阳负责第1~5章统稿。具体分工：北京大学林金龙编写第1章和第11章；华东师范大学郭建编写第2章和第9章；武汉大学江先阳编写第3章和第4章；南京邮电大学谢勇编写第5章；湖南大学谢国琪编写第6章；西安电子科技大学刘锦辉和陈勉编写第7章；东北大学陈刚编写第8章和第10章。
北京大学曹喜信教授在本书的编写过程中，提出了许多宝贵的修改意见，并多次组织了针对本书编写的研讨会，在此表示衷心的感谢。感谢清华大学出版社郑寅堃和刘星两位老师多次参加我们的研讨会，并给出很多编撰意见，使得本书能够顺利完成。非常感谢CCF嵌入式系统专委会对编写本书的支持。本书受到``华东师范大学精品教材建设专项基金项目'的资助，在此一并感谢。
出好书是作者追求的目标，但由于水平所限，尽管作了很大努力，可能还会有若干不妥甚至是错误，望广大读者给予批评指正，谢谢。

编者
2022年1月

Python语言简介

第1章嵌入式系统概论 1
1.1 嵌入式系统概念 1
1.2 嵌入式系统组成 4
1.2.1 嵌入式系统结构 4
1.2.2 嵌入式微处理器 5
1.2.3 嵌入式操作系统 6
1.3 嵌入式系统设计过程 7
1.4 嵌入式系统发展 9
1.5 本书的内容安排 11
1.6 习题 11
第2章微处理器体系架构 12
2.1 嵌入式微处理器体系结构 12
2.1.1 冯·诺依曼结构与哈佛结构 12
2.1.2 复杂指令集和精简指令集计算机 14
2.1.3 嵌入式微处理器类型 15
2.2 ARM微处理器体系架构 20
2.2.1 可编程模式 22
2.2.2 特殊寄存器 24
2.3 中断机制 26
2.4 嵌入式汇编语言 31
2.4.1 汇编程序的结构 31
2.4.2 指令格式与寻址方式 32
2.4.3 常见指令 34
2.4.4 汇编程序的设计 37
2.5 流水线技术 41
2.5.1 流水线分类 41
2.5.2 Cortex-M4 的三级流水线 42
2.5.3 影响流水线性能的因素 43
2.6 本章小结 44
2.7 习题 44
第3章嵌入式总线技术 46
3.1 系统总线概述 46
3.2 总线结构与协议 48
3.2.1 CPU总线的结构 48
3.2.2 总线组织及演进 50
3.2.3 典型总线及协议 51
3.2.4 STM32F4系列芯片对总线的支持 65
3.3 DMA 65
3.3.1 定义和作用 66
3.3.2 STM32F4系列芯片DMA控制器结构和DMA特点 66
3.3.3 DMA的设置 69
3.3.4 DMA传输的状态 69
3.3.5 DMA请求的仲裁 71
3.3.6 DMA延迟性能 71
3.4 ARM CPU的总线结构 72
3.4.1 ARM CPU的总线发展 72
3.4.2 ARM总线结构 73
3.4.3 多层总线矩阵结构 80
3.4.4 矩阵总线访问优先权 80
3.5 总线的性能分析 81
3.6 本章小结 81
3.7 习题 81
第4章存储器系统 83
4.1 存储器系统概述 83
4.2 嵌入式系统存储器的分类和存储器性能分析 83
4.2.1 以存储器的用途分类 83
4.2.2 以信息存取方式分类 85
4.2.3 存储器的主要技术指标 90
4.3 ARM存储器管理 90
4.3.1 存储映射 91
4.3.2 存储格式 93
4.3.3 工作原理 94
4.3.4 启动配置 95
4.3.5 嵌入式闪存支持 95
4.3.6 弹性静态存储器控制器 97
4.3.7 弹性存储器控制器 99
4.4 新型存储器 100
4.4.1 MRAM 101
4.4.2 PRAM 101
4.4.3 RRAM 101
4.5 存储保护和校验技术 102
4.5.1 存储保护 102
4.5.2 校验技术 104
4.6 本章小结 105
4.7 习题 105
第5章嵌入式输入/输出设备的接口 107
5.1 I/O接口 107
5.1.1 接口结构 107
5.1.2 I/O接口组成 107
5.1.3 I/O接口的数据传输 108
5.2 GPIO 109
5.2.1 GPIO概述 109
5.2.2 GPIO功能特点 110
5.2.3 GPIO输入/输出模式 110
5.2.4 GPIO引脚复用 111
5.2.5 GPIO配置 111
5.3 外部中断/事件 114
5.3.1 外部中断/事件概述 114
5.3.2 EXTI结构和外部中断/事件响应过程 115
5.3.3 外部中断/事件的配置 116
5.4 通信接口 117
5.4.1 通信接口概述 117
5.4.2 串行通信 119
5.4.3 SPI 123
5.4.4 I2C 127
5.5 人机交互 131
5.5.1 LCD概述 131
5.5.2 LCD显示的控制方法 131
5.5.3 指令介绍 134
5.6 ADC/DAC 137
5.6.1 ADC/DAC概述 137
5.6.2 ADC接口的内部结构 137
5.6.3 ADC功能 139
5.6.4 DAC接口的内部结构 144
5.6.5 DAC的功能 145
5.7 本章小结 147
5.8 习题 147
第6章程序设计与分析 149
6.1 嵌入式程序设计 149
6.1.1 嵌入式程序设计方法 150
6.1.2 嵌入式程序模型 155
6.2 嵌入式C语言编程 161
6.2.1 嵌入式C语言编程方法 161
6.2.2 嵌入式C语言中的元素 162
6.3 编译及优化技术 167
6.3.1 编译的翻译过程 169
6.3.2 编译过程中的代码优化 174
6.4 程序性能分析与优化 177
6.4.1 程序执行时间性能分析方法 177
6.4.2 与机器无关的性能优化 180
6.4.3 与机器相关的性能优化 185
6.4.4 程序功耗分析与优化 188
6.4.5 程序尺寸分析与优化 190
6.5 本章小结 192
6.6 习题 192
第7章嵌入式小系统构建 195
7.1 嵌入式小系统 195
7.2 STM32嵌入式微控制器 195
7.2.1 电源系统 197
7.2.2 时钟系统 199
7.2.3 复位系统 199
7.2.4 外部接口 201
7.3 基于 STM32 微控制器的小系统构建 204
7.3.1 小系统的硬件设计 204
7.3.2 小系统的编程环境搭建 210
7.3.3 小系统程序设计 214
7.4 本章小结 219
7.5 习题 220
第8章实时操作系统 221
8.1 概述 221
8.1.1 实时系统的概念 221
8.1.2 实时操作系统的基本特征 222
8.1.3 实时操作系统性能的衡量指标 223
8.1.4 实时操作系统的分类 224
8.1.5 POSIX标准 224
8.1.6 实时操作系统的典型应用 225
8.1.7 几种经典的实时操作系统 225
8.2 进程与任务 226
8.2.1 实时任务模型 226
8.2.2 实时任务分类 228
8.2.3 任务模型 228
8.2.4 实时任务管理 230
8.3 实时调度 231
8.3.1 内核与调度 231
8.3.2 实时调度策略 232
8.3.3 可调度性判定 232
8.4 常用的调度算法 234
8.4.1 单调速率调度算法 235
8.4.2 早截止时间优先调度算法 236
8.4.3 松弛度优先调度算法 237
8.4.4 响应时间分析方法 239
8.5 进程间通信机制 240
8.5.1 进程的通信方式 240
8.5.2 进程同步与互斥 242
8.6 本章小结 243
8.7 习题 243
第9章 ?C/OS 操作系统 245
9.1 ?C/OS III 概述 245
9.2 任务管理 247
9.2.1 实时内核的执行 247
9.2.2 任务的状态及转换 248
9.2.3 任务管理的系统服务 250
9.2.4 任务的调度 256
9.3 中断管理 259
9.4 时间管理 262
9.5 内存管理 267
9.6 同步与消息传递 271
9.6.1 信号量 271
9.6.2 事件标志组 271
9.6.3 消息队列 272
9.7 ?C/OS的移植 273
9.8 本章小结 275
9.9 习题 275
第10章嵌入式系统调试、测试与验证方法 276
10.1 嵌入式系统调试 276
10.1.1 嵌入式系统调试技术 277
10.1.2 调试手段 279
10.2 嵌入式软件测试 282
10.2.1 嵌入式系统测试过程 284
10.2.2 嵌入式软件开发标准及测试指标 284
10.2.3 测试方法 288
10.3 嵌入式软件自动验证技术模型检测 291
10.3.1 模型检验过程 292
10.3.2 状态爆炸问题 293
10.3.3 模型检测工具 293
10.4 本章小结 294
10.5 习题 294
第11章多核嵌入式微处理器 297
11.1 多核嵌入式系统 297
11.1.1 多核处理器 297
11.1.2 多核软件环境 298
11.2 ARM多核处理器 299
11.2.1 ARM MPcore多处理器结构 299
11.2.2 ARM 多核处理器中断管理 300
11.2.3 big.LITTLE 技术 301
11.2.4 多核处理器启动过程 302
11.3 多核处理器实时调度算法 304
11.4 多核处理器应用程序开发 306
11.4.1 同构多核处理器程序开发 307
11.4.2 异构多核处理器程序开发 309
11.5 本章小结 310
11.6 习题 310
附录A 部分代码 311
A.1 stm32fxx.h文件 311
A.2 引脚为输出的main.c文件 311
A.3 usart.h文件 312
A.4 usart.c文件 313
A.5 stm32f4xx_it.c文件 315
A.6 USART工程的main.c文件 315
A.7 循环缓冲区的main.c文件 316
参考文献 319

你还可能感兴趣

我要评论