嵌入式系统及其实践教程

本书详细介绍了嵌入式系统的基本概念、原理及其工程应用实践。全书共分12章，主要内容包括：绪论，嵌入式系统软件开发环境，嵌入式系统硬件，嵌入式系统软件，嵌入式处理器，嵌入式系统存储器，I/O设备与通信接口，嵌入式系统软件与操作系统，进程与线程及其通信，嵌入式网络与协议栈，嵌入式系统的测试、模拟与调试技术以及嵌入式系统工程与案例等。本书内容全面、新颖，结合最新的嵌入式工程实践，系统地阐述了嵌入式系统的基本知识、基础原理，突出了编译工具在嵌入式系统中的作用，采用示例或小贴士的方式讲解相关知识点，有助于读者尽快掌握嵌入式系统的基础理论知识，提升实践能力。
本书可作为高等院校计算机、电子、自动化与电气等相关专业的嵌入式开发类课程的教材，也可作为研究生与工程技术人员的参考用书。

第一章 绪论 1
1.1 嵌入式系统的概念 1
1.1.1 嵌入式系统的定义 1
1.1.2 通用计算机系统与嵌入式系统 2
1.2 嵌入式系统的特点 4
1.3 嵌入式系统的硬件 5
1.3.1 嵌入式处理器 5
1.3.2 嵌入式存储器与外设 6
1.4 嵌入式系统的软件 7
1.4.1 嵌入式系统软件的编写 8
1.4.2 嵌入式系统设备端软件 10
1.5 嵌入式系统的开发及工具 13
1.5.1 嵌入式系统的编译器 13
1.5.2 交叉编译与重定向编译器 14
1.5.3 嵌入式系统的软件工具 15
1.6 嵌入式系统的发展与分类 16
1.6.1 嵌入式处理器的发展 16
1.6.2 嵌入式软件的发展 18
1.6.3 嵌入式系统的分类 21
1.7 嵌入式系统的应用 22
习题 23
第二章 嵌入式系统软件开发环境 24
2.1 编译器与开发环境 24
2.1.1 程序编译过程 24
2.1.2 编译器与嵌入式编译器 25
2.1.3 集成开发环境 27
2.2 STM32下MDK开发环境 28
2.2.1 Keil μVision5介绍 28
2.2.2 Keil μVision5安装 29
2.2.3 使用工程实例验证安装 31
2.3 Linux交叉编译环境 34
2.3.1 Ubuntu系统介绍 34
2.3.2 下载和安装VirtualBox 35
2.3.3 创建虚拟机 36
2.3.4 下载安装Ubuntu系统 38
2.3.5 交叉编译工具安装验证 41
2.3.6 在Windows上运行Linux系统 42
2.4 GCC程序编译过程 46
习题 51
第三章 嵌入式系统硬件 52
3.1 嵌入式系统硬件开发及其工具 52
3.1.1 嵌入式系统硬件的4个层次 52
3.1.2 嵌入式系统硬件开发工具 53
3.1.3 嵌入式电路板组成 56
3.1.4 嵌入式电路板设计 57
3.2 嵌入式系统硬件设计 58
3.2.1 需求分析 58
3.2.2 原理图设计 59
3.2.3 PCB设计 61
3.3 设计一个51单片机系统 62
3.3.1 元器件库的建立 64
3.3.2 规则设定 66
3.3.3 布局和布线分析 67
习题 69
第四章 嵌入式系统软件 70
4.1 软件质量 70
4.1.1 软件质量的基本概念 70
4.1.2 软件质量的基本属性 71
4.1.3 高质量软件开发方法 74
4.2 嵌入式C语言编程 77
4.2.1 C语言的发展与标准 77
4.2.2 嵌入式C语言编程 77
4.3 规范化编程 88
4.3.1 程序排版 88
4.3.2 代码注释 92
4.3.3 标识符名称 97
习题 99
第五章 嵌入式处理器 100
5.1 概述 100
5.1.1 嵌入式处理器的物理结构 100
5.1.2 嵌入式处理器的特点 102
5.1.3 常见的嵌入式处理器 102
5.1.4 嵌入式处理器的发展 104
5.1.5 嵌入式处理器和通用CPU的
分析比较 104
5.2 ARM嵌入式处理器指令集 106
5.2.1 指令集 106
5.2.2 ARM指令集 108
5.2.3 Thumb指令集 110
5.2.4 Jazelle指令集 110
5.3 嵌入式处理器的架构 111
5.3.1 ARM处理器 111
5.3.2 MIPS处理器 116
5.3.3 PowerPC处理器 118
5.3.4 ARC处理器 119
5.3.5 Xtensa处理器 121
5.3.6 x86系列处理器 122
习题 124
第六章 嵌入式系统存储器 125
6.1 概述 125
6.1.1 存储器系统的层次结构 125
6.1.2 存储器的主要性能指标 127
6.1.3 存储设备分类 128
6.1.4 嵌入式系统的存储子系统 129
6.2 嵌入式系统的存储设备 130
6.2.1 主存的基本结构 130
6.2.2 随机存取存储器 131
6.2.3 只读存储器 134
6.2.4 闪速型存储器 136
6.2.5 磁表面存储器 137
6.3 嵌入式系统的Cache 138
6.3.1 Cache的基本结构及原理 138
6.3.2 Cache 的能耗 139
6.4 新型存储器 140
6.4.1 存储器新分类——基于电荷的
传统存储器和基于电阻的
新型存储器 140
6.4.2 铁电存储器 140
6.4.3 磁阻存储器 141
6.4.4 相变存储器 142
6.4.5 阻变存储器 143
6.4.6 各存储器分析比较 144
习题 145
第七章 I/O设备与通信接口 146
7.1 概述 146
7.1.1 I/O接口寄存器的映射方式 146
7.1.2 I/O设备分类 148
7.1.3 并行通信与串行通信 148
7.1.4 同步通信与异步通信 149
7.2 串行通信基础 150
7.2.1 串行通信的传输方向 150
7.2.2 传输速率 151
7.2.3 串行通信的错误校验 151
7.2.4 常见串行通信协议 152
7.3 串行异步通信 152
7.4 I2C总线 154
7.4.1 I2C总线的历史概况 154
7.4.2 I2C总线的典型电路 155
7.4.3 I2C总线数据通信协议 156
7.4.4 I2C编程基本方法 159
7.5 SPI总线 160
7.5.1 SPI通信时序 160
7.5.2 模拟SPI 161
7.5.3 SPI编程基本方法 162
7.6 USB总线 162
7.6.1 USB简介 163
7.6.2 USB硬件接口 163
7.6.3 USB的典型连接 164
7.6.4 USB通信协议 165
7.6.5 USB通信中的事务处理 166
7.6.6 USB的传输模式 167
习题 169
第八章 嵌入式系统软件与操作系统 170
8.1 嵌入式系统软件 170
8.1.1 嵌入式软件的特点 170
8.1.2 嵌入式软件的设计方法 170
8.1.3 嵌入式软件的层次与功能 177
8.2 嵌入式操作系统 178
8.2.1 嵌入式操作系统的概念 179
8.2.2 嵌入式实时操作系统的
特点与功能 181
8.2.3 嵌入式操作系统的体系结构 186
8.3 常用的嵌入式操作系统 189
8.3.1 常用的嵌入式操作系统 189
8.3.2 嵌入式Linux系统的软件 193
8.4 μC/OS-II操作系统介绍 197
8.4.1 μC/OS-Ⅱ组织结构 198
8.4.2 μC/OS-II内核 200
8.4.3 μC/OS-II任务管理 201
8.4.4 μC/OS-II时间管理 205
8.4.5 μC/OS-II内存管理 207
8.4.6 μC/OS-II任务之间的通信与
同步 209
习题 215
第九章 进程与线程及其通信 216
9.1 进程 216
9.1.1 什么是进程 216
9.1.2 进程的创建 217
9.1.3 进程的终止 218
9.1.4 exec族函数 221
9.1.5 守护进程 222
9.1.6 进程间通信 224
9.2 线程 233
9.2.1 什么是线程 233
9.2.2 进程与线程对比 234
9.2.3 线程的基本操作函数 234
9.2.4 用线程编译程序 238
9.2.5 线程间通信 238
9.2.6 互斥 238
9.2.7 变化条件 239
9.2.8 分割问题 240
9.3 调度 241
9.3.1 公平性与确定性 241
9.3.2 分时策略 242
9.3.3 实时策略 243
9.3.4 选择策略 243
9.3.5 选择实时优先级 244
习题 244
第十章 嵌入式网络与协议栈 245
10.1 嵌入式网络概述 245
10.2 嵌入式Internet的接入 246
10.2.1 嵌入式系统通过网关间接
接入Internet 246
10.2.2 嵌入式系统直接接入Internet 247
10.3 TCP/IP协议族 248
10.3.1 应用层(Application Layer) 249
10.3.2 传输层(Transport Layer) 249
10.3.3 网络层(Internet Layer) 250
10.3.4 网络接口层(Network Access
Layer) 250
10.3.5 物理层(Physical Layer)和数据
链路层(Data Link Layer) 250
10.4 嵌入式网络无线通信技术 251
10.4.1 蓝牙通信 251
10.4.2 Wi-Fi通信 253
10.4.3 IrDA红外通信 254
10.4.4 NFC近场通信 255
10.4.5 ZigBee通信 256
10.4.6 NB-IoT窄带物联网通信 257
10.5 嵌入式网络协议栈 258
10.5.1 嵌入式TCP/IP网络协议栈 258
10.5.2 LwIP网络协议栈 259
10.5.3 Contiki网络协议栈 260
10.5.4 embOS/IP 网络协议栈 262
10.5.5 μC/IP网络协议栈 262
10.5.6 FreeRTOS-TCP网络协议栈 263
10.5.7 RL-TCPnet网络协议栈 263
10.5.8 嵌入式网络协议栈的选择 264
10.6 嵌入式Internet的应用 264
10.6.1 嵌入式Internet的应用领域 264
10.6.2 智能家居系统的应用 264
10.6.3 健康智能家居系统示例1——
云平台及语音交互 265
10.6.4 健康智能家居系统示例2——
以安防监控为主 267
习题 269
第十一章 嵌入式系统的测试、模拟与
调试技术 270
11.1 测试嵌入式系统 270
11.1.1 在宿主机上进行测试 270
11.1.2 可测试性的设计 271
11.1.3 硬件检查 271
11.1.4 自测的设计 271
11.1.5 测试工具 272
11.2 测试方法与模型 272
11.2.1 错误跟踪 274
11.2.2 单元测试 275
11.2.3 回归测试 275
11.2.4 选择测试用例 276
11.2.5 功能测试 276
11.2.6 覆盖测试 277
11.2.7 性能测试 278
11.3 模拟器调试技术 279
11.3.1 模拟器 279
11.3.2 模拟器的特性 279
11.3.3 模拟器的局限性 280
11.4 试验工具和目标硬件的调试 280
11.4.1 电路内置仿真器(ICE) 280
11.4.2 逻辑分析仪 282
11.5 GDB调试技术 283
11.5.1 GDB调试应用程序概述 283
11.5.2 基本调试技术 284
11.5.3 printk打印调试信息 288
习题 289
第十二章 嵌入式系统工程与案例 290
12.1 嵌入式系统工程步骤及模型 290
12.1.1 嵌入式系统工程步骤 290
12.1.2 嵌入式系统开发过程模型 291
12.1.3 嵌入式系统设计方法 294
12.2 嵌入式系统工程过程 295
12.2.1 需求分析 295
12.2.2 系统设计 297
12.2.3 系统软硬件研发 299
12.2.4 系统测试 304
12.2.5 产品生产 306
12.2.6 系统维护 307
12.3 微型投影仪工程案例 308
12.3.1 微型投影仪需求 308
12.3.2 微型投影仪系统设计 313
12.3.3 微型投影仪软硬件研发 314
12.3.4 系统测试、生产与维护 317
习题 318
参考文献 319