嵌入式系统设计与开发实践

《嵌入式系统设计与开发实践（第2版）》 全面系统地介绍嵌入式硬件和固件的设计、开发、集成技术，并讨论如何高效地管理开发过程。本书编排精当，采用布鲁姆LO（学习目标）分类方法，保证读者通过学习获得预期效果。本书细腻阐明基础乃至不错概念，每章开头列出学习目标，然后穿插大量表格、图和例题来解释相应主题；章末附有课后习题、复习题和实验练习题，以帮助读者巩固所学的知识。本书在上一版的基础上做了全面细致的更新，融入了嵌入式系统设计领域的所有前沿开发技术。

Shibu是一位资历技术架构师，拥有丰富的嵌入式系统H/W与固件开发经验，在微控制器、实时操作系统（Windows CE/Mobile 7.0、MicroC/OS-II、VxWorks、RTX-51）、设备驱动程序、引导程序和设备接口等领域拥有丰富的知识和深厚的技术积淀。Shibu曾任CDAC不错研究员、Infosys Technologies公司不错技术架构师，目前供职于美国微软公司，担任不错固件工程师。Shibu在印度Calicut 大学仪表与控制工程学院获得工学学士学位。

第Ⅰ部分理解嵌入式系统的基本概念
第1章嵌入式系统简介
1.1嵌入式系统的含义
1.2对比嵌入式系统与通用计算系统
1.3嵌入式系统的发展历程
1.4嵌入式系统的分类
1.4.1基于时代的分类
1.4.2基于复杂度和性能的分类
1.5嵌入式系统的主要应用领域
1.6嵌入式系统的用途
1.6.1数据的采集、存储与显示
1.6.2数据通信
1.6.3数据(信号)处理
1.6.4监测
1.6.5控制
1.6.6专用用户界面
1.7可穿戴设备——嵌入式技术与生活方式的创新结合
1.8本章小结
1.9重要术语
1.10课后习题
1.11复习题
第2章典型的嵌入式系统
2.1嵌入式系统的内核
2.1.1通用处理器与专用处理器
2.1.2专用集成电路
2.1.3可编程逻辑器件
2.1.4商用现货
2.2存储器
2.2.1程序存储器
2.2.2读-写存储器/随机存取存储器
2.2.3基于接口类型的存储器分类
2.2.4存储器映射
2.2.5嵌入式系统中的存储器选型
2.3传感器与激励器
2.3.1传感器
2.3.2激励器
2.3.3I/O子系统
2.4通信接口
2.4.1板上通信接口
2.4.2外部通信接口
2.5嵌入式固件
2.6系统其他元件
2.6.1复位电路
2.6.2欠压保护电路
2.6.3振荡器
2.6.4实时时钟
2.6.5看门狗定时器
2.7PCB与无源元件
2.8本章小结
2.9重要术语
2.10课后习题
2.11复习题
2.12实验练习题
第3章嵌入式系统的特征与质量属性
3.1嵌入式系统的特征
3.1.1面向特定应用和特定领域
3.1.2反馈与实时性
3.1.3能在恶劣环境中工作
3.1.4分布式
3.1.5尺寸小、重量轻
3.1.6低功耗、节能
3.2嵌入式系统的质量属性
3.2.1工作模式下的质量属性
3.2.2非工作模式下的质量属性
3.3本章小结
3.4重要术语
3.5课后习题
3.6复习题78
第4章嵌入式系统——面向特定应用与特定领域
4.1洗衣机——面向特定应用的嵌入式系统
4.2汽车——面向特定领域的嵌入式系统
4.2.1汽车嵌入式系统工作的内部情况
4.2.2汽车通信总线
4.2.3汽车嵌入式市场上的主流厂商
4.3本章小结
4.4重要术语
4.5课后习题
4.6复习题
第5章使用8位微控制器8051设计嵌入式系统
5.1控制器选型时需要考虑的因素
5.1.1功能集合
5.1.2运行速度
5.1.3代码存储空间
5.1.4数据存储空间
5.1.5开发环境支持
5.1.6可用性
5.1.7功耗
5.1.8成本
5.2选用8051微控制器的原因
5.3基于8051的设计
5.3.18051的基本架构
5.3.2存储器结构
5.3.3寄存器
5.3.4振荡器
5.3.5端口
5.3.6中断
5.3.78051中断系统
5.3.8定时器
5.3.9串口
5.3.10复位电路
5.3.11省电节能模式
5.48052微控制器
5.58051/52的衍生产品
5.5.1Atmel公司的
AT89C51RD2/ED2
5.5.2Maxim公司的DS80C320/DS80C323
5.6本章小结
5.7重要术语
5.8课后习题
5.9复习题
5.10实验练习题
第6章基于8051微控制器的编程
6.18051支持的各种寻址模式
6.1.1直接寻址
6.1.2间接寻址
6.1.3寄存器寻址
6.1.4立即寻址
6.1.5索引寻址
6.28051指令集
6.2.1数据传输指令
6.2.2算术运算指令
6.2.3逻辑指令
6.2.4布尔运算指令
6.2.5程序控制转移指令
6.3本章小结
6.4重要术语
6.5课后习题
6.6复习题
6.7实验练习题
第7章软硬件协同设计与程序建模
7.1软硬件协同设计的基本概念
7.2嵌入式设计的计算模型
7.2.1数据流程图模型
7.2.2控制数据流程图
7.2.3状态机模型
7.2.4顺序程序模型
7.2.5并发处理模型/通信处理模型
7.2.6面向对象模型
7.3统一建模语言简介
7.3.1UML构建块
7.3.2UML工具
7.4软硬件权衡
7.5本章小结
7.6重要术语
7.7课后习题
7.8复习题
7.9实验练习题
第Ⅱ部分嵌入式产品的设计与开发
第8章嵌入式硬件设计与开发
8.1模拟电子元件
8.2数字电子元件
8.2.1集电极开路与三态输出
8.2.2逻辑门
8.2.3缓冲器
8.2.4锁存器
8.2.5译码器
8.2.6编码器
8.2.7多路复用器
8.2.8多路输出选择器
8.2.9组合电路
8.2.10时序电路
8.3VLSI与集成电路设计
8.4电子设计自动化工具
8.5OrCADEDA工具的用法
8.6使用OrCAD的CaptureCIS工具实现电路图设计
8.6.1电路图绘制窗口
8.6.2电路图绘图工具
8.6.3电路图绘制明细
8.6.4创建元件编号
8.6.5设计规则检查
8.6.6创建材料清单
8.6.7创建网表
8.7PCB布局布线设计
8.7.1布局布线构建块
8.7.2使用OrCAD布局布线工具完成布局布线设计
8.7.3PCB布局布线准则
8.8印刷电路板制造
8.8.1各种类型的PCB
8.8.2PCB制造方法
8.8.3PCB设计完成后，电路板外形及其调试测试
8.9本章小结
8.10重要术语
8.11课后习题
8.12复习题
8.13实验练习题
第9章嵌入式固件设计与开发
9.1嵌入式固件设计方法
9.1.1基于超循环的方法
9.1.2基于嵌入式操作系统的方法
9.2嵌入式固件开发语言
9.2.1基于汇编语言的开发
9.2.2基于高级语言的开发
9.2.3汇编语言与高级语言混合编程
9.3嵌入式C编程
9.3.1对比C语言与嵌入式C语言
9.3.2对比编译器与交叉编译器
9.3.3在嵌入式C编程中使用C语言
9.4本章小结
9.5重要术语
9.6课后习题
9.7复习题
9.8实验练习题
第10章基于实时操作系统的嵌入式系统设计
10.1操作系统基础知识
10.2操作系统分类
10.2.1通用操作系统
10.2.2实时操作系统
10.3任务、进程与线程
10.3.1进程
10.3.2线程
10.4多处理与多任务
10.5任务调度
10.5.1非抢占式调度
10.5.2抢占式调度
10.6结合使用线程、进程与调度
10.7任务通信
10.7.1存储器共享
10.7.2消息传递
10.7.3远程过程调用与套接字
10.8任务同步
10.8.1任务通信/同步问题
10.8.2任务同步技术
10.9设备驱动程序
10.10选择RTOS的方法
10.10.1功能性需求
10.10.2非功能性需求
10.11本章小结
10.12重要术语
10.13课后习题
10.14复习题
10.15实验练习题
第11章基于VxWorks与MicroC/OS-IIRTOS的嵌入式系统设计
简介
11.1VxWorks
11.1.1任务创建与管理
11.1.2任务调度
11.1.3内核服务
11.1.4任务间通信
11.1.5任务同步与互斥
11.1.6中断处理
11.1.7监控任务执行的看门狗
11.1.8定时与定时基准
11.1.9VxWorks开发环境
11.2MicroC/OS-II
11.2.1任务创建与管理
11.2.2内核函数与初始化
11.2.3任务调度
11.2.4任务间通信
11.2.5互斥与任务同步
11.2.6定时与定时基准
11.2.7存储器管理
11.2.8中断处理
11.2.9MicroC/OS-II开发环境
11.3本章小结
11.4重要术语
11.5课后习题
11.6复习题
11.7实验练习
第12章嵌入式硬件与固件的集成与测试
12.1硬件与固件的集成
12.1.1离线编程
12.1.2在系统编程
12.1.3在应用编程
12.1.4使用厂家编程芯片
12.1.5对基于操作系统的器件实现固件加载
12.2电路板加电
12.3本章小结
12.4重要术语
12.5复习题
第13章嵌入式系统开发环境
13.1集成开发环境
13.1.1基于8051的KeilμVision
13.1.2嵌入式系统开发IDE概述
13.2交叉编译过程中生成的各种文件
13.2.1列表文件(.LST)
13.2.2预处理器输出文件
13.2.3目标文件(.OBJ)
13.2.4Map文件(.MAP)
13.2.5Hex文件(.HEX)
13.3反汇编器与反编译器
13.4模拟器、仿真器与调试
13.4.1模拟器
13.4.2仿真器与调试器
13.5目标硬件调试
13.5.1放大镜
13.5.2万用表
13.5.3数字CRO
13.5.4逻辑分析仪
13.5.5函数生成器
13.6边界扫描
13.7本章小结
13.8重要术语
13.9课后习题
13.10复习题
13.11实验练习题
第14章产品外壳设计与开发
14.1产品外壳设计工具
14.2产品外壳开发技术
14.2.1外壳手工设计
14.2.2快速原型开发
14.2.3加工与制模
14.2.4金属薄板
14.2.5商用现货外壳
14.3本章小结
14.4重要术语
14.5课后习题
14.6复习题
第15章嵌入式产品开发生命周期
15.1EDLC的含义
15.2EDLC的作用
15.3EDLC的目标
15.3.1保障产品质量
15.3.2通过管理降低风险并预防缺陷
15.3.3提高生产效率
15.4EDLC的各个阶段
15.4.1需求
15.4.2概念成型
15.4.3分析
15.4.4设计
15.4.5开发与测试
15.4.6部署
15.4.7支持
15.4.8升级
15.4.9退市
15.5EDLC方法(EDLC建模)
15.5.1线性/瀑布模型
15.5.2迭代/增量模型(也称为喷泉模型)
15.5.3原型/演化模型
15.5.4螺旋模型
15.6本章小结
15.7重要术语
15.8课后习题
15.9复习题
第16章嵌入式产业发展趋势
16.1嵌入式系统处理器发展趋势
16.1.1片上系统
16.1.2系统级封装
16.1.3多核处理器/片上多处理器
16.1.4可重构处理器
16.2嵌入式操作系统发展趋势
16.3开发语言发展趋势
16.3.1基于Java的嵌入式开发
16.3.2基于.NETCF的嵌入式开发
16.4开放式标准、框架与联盟
16.4.1开放式移动联盟
16.4.2开放式手机联盟
16.4.3Android
16.4.4Tizen
16.5瓶颈
16.5.1性能、电源优化和热量管理
16.5.2缺少标准或标准执行力度不够
16.5.3缺少专业的人力资源
16.6开发平台的发展趋势
16.6.1Arduino
16.6.2BeagleBone
16.6.3SharksCove
16.6.4MinnowBoardMAX
16.6.5RaspberryPi
16.6.6英特尔的GalileoGen2
16.7云、物联网和嵌入式系统——未来的重要发展
附录APIC系列微控制器、AVR系列微控制器、ARM处理器
简介
附录B设计案例研究

青年学生与实践工程师普遍存在这样一个误解：嵌入式系统设计就是编写C代码。这样的理解是完全错误的，这里必须强调——嵌入式系统设计是指设计嵌入式硬件，并使用C语言或其他支持语言设计嵌入式固件，然后对硬件和固件进行系统集成，并对系统功能进行测试。
嵌入式系统设计是电子工程领域中一个非常专业的分支，该分支集合了电子学的技术优势与机械工程的专业设计技术，将前沿科技和高端产品引入多个不同领域，如消费类电子产品、无线电通信、汽车、零售行业以及银行业等。嵌入式系统是计算机硬件与软件的整合体，其中，软件编程用于开发专用的计算机系统，设计执行一项或多项特定功能。
嵌入式产业在全球范围内提供了大量工作机会。嵌入式系统设计是一门艺术，需要有能力的人才迎接其设计挑战，并时刻关注产品设计的时间范围。嵌入式产业当今面临的最大挑战就是该领域缺乏拥有熟练技术的人员。虽然电子与计算机科技工程专业的大多数大学毕业生有天赋也有才能，但他们在嵌入式领域缺少正确的培训，往往对嵌入式系统缺乏必需的理解。此外，缺少合适的学习教材与读物也是造成上述危机的主要原因之一。尽管业界已经出版了许多介绍嵌入式技术的书籍，但这些书籍往往并未使用简明易懂的系统化方法向读者普及嵌入式系统的基础知识；这些书籍更多是从深奥的专业领域入手，只适用于专业对口的实践工程师。
本书是一本入门书籍，向学生全面介绍了嵌入式系统，并且可以作为实践工程师与项目经理的技术指南，开创了此类书籍的先河。本书可以用作计算机科学与工程、信息技术、电气工程、电子学与通信工程、仪表与控制工程等专业的本科教程，也可以作为计算机科学/信息技术/电子学专业的理学学士/理学硕士/工学硕士、计算机应用硕士以及备考印度计算机等级考试(DOEACC)B级的学生的重要参考资料。
本书介绍嵌入式系统的基础知识、嵌入式硬件与固件的设计与开发步骤(包括硬件与固件的系统集成)以及嵌入式系统开发的生命周期管理知识。第1章~第4章介绍嵌入式系统的基本知识。第5章~第13章介绍有关嵌入式硬件与固件设计的进阶知识，对于嵌入式系统的实践工程师来说，这些知识是非常有帮助的。第15章说明了嵌入式系统设计的生命周期，该章的内容对实践工程师和项目经理都是有益的。每章开头列出学习目标，然后使用简明的文字说明以及大量的表格、图例、例题解答来阐明相应概念。每章的末尾列出重要知识点，其中包括本章小结、重要术语、课后习题(多项选择题)以及复习题。为了方便学生在实验室也能进行相关的实验，本书还在相关章节提供了实验练习题。本书附录介绍了PIC与AVR系列微控制器，以及ARM处理器，列举了贴近实际的最新嵌入式设计案例，将使你受益匪浅。


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● 有关嵌入式编程语言C++/Java的简要介绍
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本书编排形式
学习目标
每章开头都列出学习目标，读者在掌握了该章内容后，应该能够达到这些学习目标。
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