新編嵌入式系統原理·設計與套用

《新編嵌入式系統原理·設計與套用》出版於2010年，適合作為高等院校電氣信息類專業（電氣工程及其自動化、自動化、電子信息工程、通信工程、計算機科學與技術、電子科學與技術以及生物醫學工程）高年級學生和研究生教材，或作為嵌入式計算方面的指導用書，也可供相關科技人員參考、學習使用。

基本介紹

• 書名：新編嵌入式系統原理·設計與套用
• ISBN：9787302231622, 7302231621
• 頁數：481頁
• 出版社：清華大學出版社
• 出版時間：第1版 (2010年9月1日)
• 裝幀：平裝
• 開本：16

內容簡介

《新編嵌入式系統原理·設計與套用》主要介紹了嵌入式系統、嵌入式處理器和嵌入式作業系統的一般原理，以及嵌入式系統的開發方法、開發原則和方法論方面的內容。全書共分14章，第1章講述嵌入式系統的基本概念、設計方法及原則；第2章介紹嵌入式系統開發的基本流程；第3章講述嵌入式系統的硬體設計；第4章講述嵌入式系統的存儲器子系統；第5章講述嵌入式處理器的I/O子系統的原理；第6章講述裸機嵌入式系統的軟體系統結構和套用特點；第7章講述嵌入式作業系統的原理和基於多任務作業系統的軟體開發；第8章講述基於網路的嵌入式系統的設計與規劃方法；第9章講述嵌入式系統的軟體組件原理和設計方法；第10章講述常用嵌入式檔案系統的原理和特點；第11章講述嵌入式人機界面的套用與原理；第12章為案例分析；第13章講述嵌入式系統的低功耗設計技術並分析功耗產生原因；第14章講述嵌入式系統的電磁兼容性問題。

目錄

第1章 嵌入式系統概述1

1.1 概述1

1.2 嵌入式系統的概念1

1.3 嵌入式系統的發展2

1.3.1 嵌入式系統的發展歷程2

1.3.2 嵌入式處理器的發展3

1.4 嵌入式系統的特點4

1.5 嵌入式系統的組成6

1.5.1 嵌入式處理器7

1.5.2 存儲器8

1.5.3 輸入/輸出接口8

1.6 嵌入式系統的種類8

1.7 嵌入式系統的調試方法9

1.7.1 基於主機的調試10

1.7.2 遠程調試器與調試核心10

1.7.3 線上仿真ICE12

1.7.4 BDM16

1.7.5 JTAG19

1.7.6 軟體仿真器21

1.8 嵌入式系統的套用22

1.8.1 消費類電子產品23

1.8.2 辦公自動化產品23

1.8.3 控制系統與工業自動化23

1.8.4 生物醫學系統23

1.8.5 現場儀器23

1.8.6 網路通信設備24

1.8.7 電信設備24

1.9 嵌入式系統的發展趨勢24

1.9.1 硬體的發展24

1.9.2 軟體的發展25

1.9.3 系統的發展26

1.10 本章小結27

思考題27

第2章 嵌入式系統開發流程28

2.1 概述28

2.2 需求分析階段28

2.2.1 分析用戶的需求28

2.2.2 確定硬體和軟體31

2.2.3 對需求分析的結果進行檢查31

2.2.4 確定項目的約束條件32

2.2.5 概要設計33

2.3 詳細設計階段35

2.3.1 審查分析資料36

2.3.2 體系結構設計36

2.3.3 硬體與軟體的劃分37

2.3.4 硬體和軟體的設計次序37

2.3.5 硬體設計38

2.3.6 軟體設計39

2.3.7 檢查設計41

2.4 科研開發階段41

2.4.1 選擇開發平台41

2.4.2 軟體開發過程46

2.5 測試階段48

2.5.1 測試的原因48

2.5.2 何時測試50

2.5.3 測試內容51

2.5.4 何時停止測試52

2.5.5 選擇測試實例52

2.5.6 嵌入式系統的實時失敗模式54

2.5.7 評估測試的覆蓋率55

2.5.8 性能測試57

2.5.9 維護和測試58

2.6 本章小結59

思考題59

第3章 嵌入式處理器60

3.1 概述60

3.2 嵌入式系統硬體子系統組成60

3.2.1 嵌入系統的方式61

3.2.2 硬體子系統總體組成62

3.2.3 嵌入式處理器子系統63

3.2.4 嵌入式存儲器子系統67

3.2.5 附屬電路和I/O子系統67

3.2.6 調試子系統67

3.2.7 如何選擇處理單元68

3.3 嵌入式處理器的技術指標68

3.4 典型的嵌入式處理器70

3.4.1 MicroChip系列嵌入式微控制器70

3.4.2 NXPLPC嵌入式微控制器系列71

3.4.3 Freescale微控制器MC68HC08系列73

3.4.4 MCS-51系列嵌入式控制器/處理器75

3.4.5 Atmel公司的AVR系列微控制器77

3.4.6 MC68HC12系列處理器79

3.4.7 PowerPC系列32位嵌入式處理器79

3.4.8 ColdFire系列32位嵌入式處理器80

3.4.9 ARM系列83

3.5 如何選擇嵌入式處理器100

3.5.1 選擇處理器的總原則100

3.5.2 選擇嵌入式處理器的具體方法101

3.6 嵌入式CPU子系統的設計方法102

3.6.1 設計原則102

3.6.2 基於微控制器的設計104

3.6.3 基於微處理器的設計106

3.7 本章小結111

思考題112

第4章 嵌入式系統的存儲器113

4.1 概述113

4.2 嵌入式系統存儲器的結構和組織113

4.2.1 存儲器的結構113

4.2.2 嵌入式系統存儲器子系統的結構114

4.3 存儲器的性能指標115

4.4 存儲器的工作時序116

4.5 存儲器的分類118

4.6 隨機存儲器RAM119

4.6.1 靜態RAM119

4.6.2 動態RAM122

4.6.3 雙連線埠RAM127

4.6.4 如何選擇RAM135

4.7 唯讀存儲器ROM136

4.7.1 EPROM136

4.7.2 EEPROM139

4.7.3 FLASH141

4.7.4 唯讀存儲器的編程147

4.8 混合類型存儲器150

4.9 存儲器的測試150

4.9.1 存儲器晶片本身的問題151

4.9.2 電子線路的問題151

4.9.3 無存儲器晶片152

4.9.4 晶片的不正確插入152

4.9.5 制定測試策略152

4.10 驗證唯讀存儲器的內容158

4.10.1 校驗和158

4.10.2 循環冗餘碼159

4.11 系統配置數據存儲器160

4.12 本章小結162

思考題162

第5章 嵌入式系統的I/O模組163

5.1 概述163

5.2 復位電路163

5.2.1 阻容復位電路163

5.2.2 手動復位電路164

5.2.3 看門狗復位164

5.2.4 專用復位電路165

5.2.5 內部復位電路166

5.2.6 軟體復位166

5.3 系統時鐘166

5.3.1 RC時鐘167

5.3.2 石英晶體167

5.3.3 石英振盪器167

5.3.4 鎖相倍頻時鐘與多時鐘源168

5.4 I/O模組169

5.4.1 I/O接口的基本結構169

5.4.2 I/O接口的信號及其作用170

5.4.3 暫存器地址的映射方式170

5.5 嵌入式系統的解碼器171

5.5.1 解碼器的作用和種類171

5.5.2 可程式器件解碼器171

5.5.3 嵌入式處理器上的集成解碼模組172

5.5.4 ARM處理器上的解碼電路與套用172

5.6 定時器/計數器173

5.6.1 定時器/計數器的功能173

5.6.2 定時器/計數器的基本結構173

5.6.3 定時器/計數器的工作模式174

5.6.4 示例：80186EB定時器/計數器174

5.7 SPI接口模組175

5.7.1 SPI原理175

5.7.2 SPI的數據流動177

5.7.3 SPI功能177

5.7.4 SPI引腳178

5.7.5 SPI暫存器179

5.8 UART182

5.8.1 串列接收機RxMachine182

5.8.2 串列傳送機TxMachine183

5.8.3 基本特徵184

5.8.4 通信模式184

5.8.5 UART的編程和使用185

5.9 通用並行接口185

5.9.1 通用並口的基本特點185

5.9.2 I/O連線埠的編程結構189

5.9.3 通用並口的操作189

5.10 IIC接口189

5.11 IIS接口與音頻輸入輸出190

5.12 LCD顯示屏接口191

5.12.1 概述191

5.12.2 LCD接口的主要特點192

5.13 觸控螢幕接口193

5.14 A/D接口194

5.15 實時時鐘模組195

5.16 乙太網接口196

5.17 其他接口模組198

5.18 本章小結199

思考題199

第6章 裸機系統的軟體開發200

6.1 概述200

6.2 嵌入式的軟體結構和組成200

6.2.1 裸機嵌入式系統軟體的組成201

6.2.2 初始化引導代碼201

6.2.3 設備驅動程式202

6.2.4 中斷服務程式202

6.2.5 庫函式202

6.2.6 套用主程式203

6.2.7 全局變數203

6.2.8 子程式或函式203

6.2.9 監控程式204

6.3 裸機嵌入式軟體系統的設計

方法204

6.3.1 前後台系統204

6.3.2 中斷（事件）驅動系統208

6.3.3 巡迴服務系統210

6.3.4 基於定時器的巡迴服務方式211

6.4 程式移植問題212

6.4.1 移植的必要性212

6.4.2 裸機系統的軟體移植213

6.4.3 可移植套用軟體的設計原則216

6.5 本章小結219

思考題219

第7章 嵌入式實時多任務作業系統與

套用開發220

7.1 概述220

7.2 作業系統介紹221

7.2.1 什麼是作業系統221

7.2.2 作業系統的功能組成222

7.3 嵌入式RTOS的基本概念224

7.4 RTOS的關鍵技術指標225

7.5 RTOS基本術語226

7.6 RTOS要求227

7.7 常用的嵌入式作業系統228

7.7.1 NucleusPlus228

7.7.2 VxWorks230

7.7.3 μC/OS-II231

7.7.4 嵌入式Linux232

7.7.5 QNX233

7.7.6 ThreadX234

7.7.7 WindowsCE235

7.8 利用嵌入式作業系統開發套用238

7.8.1 軟體組成與運行流程238

7.8.2 多任務系統的應用程式模板247

7.8.3 任務控制249

7.8.4 任務之間的通信250

7.8.5 任務之間的同步253

7.8.6 定時器258

7.8.7 動態存儲器260

7.8.8 分區存儲器264

7.9 如何選擇嵌入式作業系統266

7.9.1 概述266

7.9.2 選擇實時作業系統的依據267

7.10 本章小結271

思考題272

第8章 嵌入式網路與協定棧273

8.1 概述273

8.2 嵌入式網路274

8.2.1 分散式嵌入式系統274

8.2.2 基於網路的設計過程279

8.3 工業網路與現場匯流排281

8.3.1 FF匯流排協定283

8.3.2 HART協定285

8.3.3 Profibus協定286

8.3.4 CAN協定288

8.3.5 ControlNet290

8.3.6 DeviceNet290

8.4 嵌入式系統的聯網291

8.4.1 選擇協定棧291

8.4.2 選擇網路技術292

8.4.3 選擇成熟的實現方案292

8.4.4 使用標準的套用協定293

8.4.5 流行的網路體系結構293

8.5 嵌入式INTERNET294

8.5.1 嵌入式Internet概述294

8.5.2 嵌入式Internet的套用295

8.5.3 嵌入式Internet的原理296

8.5.4 嵌入式Internet的接入方案舉例298

8.5.5 開發工具舉例——EMIT開發方法300

8.5.6 嵌入式TCP/IP301

8.6 藍牙技術304

8.6.1 藍牙技術及特點304

8.6.2 藍牙協定棧305

8.6.3 藍牙套用產品307

8.7 本章小結307

思考題308

第9章 嵌入式軟體組件309

9.1 概述309

9.2 嵌入式系統模型309

9.3 鍵盤310

9.3.1 鍵盤模型310

9.3.2 模組結構311

9.3.3 接口函式312

9.4 LED顯示屏314

9.4.1 模型314

9.4.2 模組結構316

9.4.3 接口函式的定義與使用317

9.5 LCD顯示屏319

9.5.1 模型319

9.5.2 模組實現320

9.5.3 接口函式321

9.6 日曆時鐘324

9.6.1 概述324

9.6.2 模組實現325

9.6.3 接口函式325

9.7 模擬量輸入327

9.7.1 模型327

9.7.2 接口函式328

9.7.3 讀取模/數轉換結果的方法328

9.8 模擬量輸出331

9.8.1 模型331

9.8.2 接口函式331

9.8.3 模組實現332

9.9 開關量輸入/輸出332

9.9.1 模型332

9.9.2 接口函式333

9.9.3 支持位操作的處理器335

9.1 0異步串列通信UART335

9.1 0.1 模型335

9.1 0.2 模組實現336

9.1 0.3 接口函式339

9.11 EEPROM讀寫模組342

9.11.1 概述342

9.11.2 接口函式342

9.12 其他組件模組343

9.13 本章小結344

思考題344

第10章 嵌入式檔案系統345

10.1 概述345

10.2 存儲介質345

10.3 嵌入式檔案系統的特點345

10.4 檔案系統結構346

10.5 嵌入式檔案系統分類347

10.5.1 基於FLASH的檔案系統348

10.5.2 基於RAM的檔案系統352

10.6 YAFFS檔案系統分析352

10.6.1 NANDFLASH352

10.6.2 LinuxMTD356

10.6.3 YAFFS相關數據結構分析358

10.6.4 YAFFS函式接口364

10.6.5 YAFFS使用的其他技術365

10.6.6 YAFFS檔案系統移植366

思考題370

第11章 嵌入式人機界面371

11.1 概述371

11.2 分類371

11.3 字元型人機界面373

11.3.1 概述373

11.3.2 結構373

11.4 圖形用戶界面373

11.4.1 概述373

11.4.2 組成375

11.4.3 嵌入式圖形界面376

11.4.4 GUI產品簡介377

11.5 MINIGUI377

11.5.1 概述377

11.5.2 結構380

11.5.3 開發方法381

11.5.4 套用383

11.6 Qt384

11.6.1 概述384

11.6.2 結構385

11.6.3 Qt/Embedded的開發方法386

11.6.4 套用391

思考題392

第12章 案例分析393

12.1 概述393

12.2 PDA393

12.2.1 PDA概述393

12.2.2 PDA的硬體設計395

12.2.3 PDA的軟體設計399

12.3 水錶智慧型抄表系統401

12.3.1 水錶智慧型抄表系統簡介401

12.3.2 基於32位機S3C44B0X的抄表手機的設計402

12.4 AT91EB40A評估開發板403

12.5 S3C2410評估開發板405

12.6 信息家電407

12.6.1 信息家電概述407

12.6.2 信息家電的主要功能和特點408

12.6.3 信息家電的分類409

12.6.4 信息家電的硬體平台410

12.6.5 信息家電的結構411

12.6.6 嵌入式Linux在信息家電上的優勢411

12.7 本章小結413

思考題413

第13章 低功耗系統的設計414

13.1 概述414

13.2 低功耗的優點414

13.2.1 電池驅動的需要414

13.2.2 安全的需要415

13.2.3 提高電磁兼容性415

13.2.4 節能的需要415

13.3 降低功耗的措施綜述416

13.3.1 功耗產生的原因416

13.3.2 與系統功耗有關的因素416

13.3.3 降低功耗的措施417

13.4 元件工藝的低功耗419

13.5 硬體系統的低功耗設計422

13.5.1 選擇低功耗的器件423

13.5.2 選用低功耗電路424

13.5.3 單電源、低電壓供電424

13.5.4 分區供電降低功耗425

13.5.5 利用I/O引腳為外圍器件供電425

13.5.6 電源管理單元的設計426

13.5.7 採用智慧型電源426

13.5.8 片選信號的處理427

13.5.9 有效利用I/O器件的待機模式427

13.5.1 0降低處理器的時鐘頻率427

13.5.1 1動態改變CPU的時鐘428

13.5.1 2降低持續工作電流428

13.6 軟體系統的低功耗設計428

13.6.1 編譯低功耗最佳化技術429

13.6.2 硬體軟體化429

13.6.3 採用事件驅動方式，儘量減少處理器的工作時間429

13.6.4 採用快速算法430

13.6.5 通信系統中提高通信的波特率430

13.6.6 數據採集系統中儘量降低採集速率430

13.6.7 延時程式的設計431

13.6.8 睡眠模式431

13.6.9 靜態顯示與動態顯示431

13.7 關於電池供電系統432

13.8 本章小結432

思考題433

第14章 電磁兼容性問題434

14.1 概述434

14.2 電磁兼容的基本概念434

14.3 電磁兼容的基本術語434

14.4 電磁兼容的基本原理435

14.4.1 常見的電磁兼容性問題435

14.4.2 電磁環境特性437

14.4.3 噪聲耦合路徑438

14.4.4 PCB走線的天線效應439

14.4.5 系統內部電磁干擾產生的原因440

14.5 考慮電磁兼容時元件的模型和特性440

14.6 提高電磁兼容性的一般措施449

14.6.1 時鐘源的電源濾波方法449

14.6.2 積體電路的輻射考慮451

14.6.3 電路的布局與布線451

14.7 旁路和去耦452

14.7.1 旁路和去耦概述452

14.7.2 電源層和接地層的分布電容考慮453

14.7.3 並聯電容器453

14.7.4 去耦電容參數的計算454

14.7.5 安裝454

14.7.6 大電容的使用和選擇456

14.7.7 組件內電容概述457

14.8 信號完整性與串擾457

14.8.1 信號完整性要求457

14.8.2 反射和衰減振盪458

14.8.3 計算電長走線460

14.8.4 串擾461

14.9 PCB走線終端463

14.9.1 傳輸線效應464

14.9.2 終端匹配方法464

14.1 0接地470

14.1 0.1 概述470

14.1 0.2 接地模型470

14.1 0.3 接地方法471

14.1 0.4 消除接地環路473

14.1 0.5 消除多點接地系統中的諧振現象475

14.1 0.6 電路子卡與卡架之間的場耦合475

14.1 0.7 I/O連線器的設計考慮476

14.1 0.8 消除地電位不均勻477

14.11 考慮電磁兼容性的其他措施477

14.11.1 禁止477

14.11.2 磁珠的使用478

14.11.3 電源低通濾波器478

14.11.4 其他EMC器件478

14.12 控制噪聲的經驗小結478

14.12.1 控制噪聲源478

14.12.2 從傳輸路徑方面減小噪聲的耦合479

14.12.3 在信號接收端減少噪聲的接收480

14.13 本章小結480

思考題481