嵌入式系統(tǒng)原理與設計

前言

隨著計算機技術和微電子技術的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)得到了廣泛的應用。電子設備的功能越來越復雜和完善，原來單片機的應用領域被嵌入式系統(tǒng)逐漸取代。嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)控制、智能儀表、信息家電、網(wǎng)絡通信等領域中都有著廣泛的應用。特別是在最近幾年，嵌入式系統(tǒng)取得了前所未有的發(fā)展，在多媒體手機、個人數(shù)字助理（PDA）、數(shù)字導航儀、MP3／MP4、網(wǎng)絡路由器、汽車電子等方面，嵌入式系統(tǒng)無處不在。針對嵌入式系統(tǒng)的應用，社會對嵌入式系統(tǒng)設計方面人才的需求量也越來越大。許多高校開設了嵌入式系統(tǒng)設計課程，社會上也有許多嵌入式系統(tǒng)培訓班，以滿足社會對嵌入式系統(tǒng)設計人才的需求。但是，關于嵌入式系統(tǒng)設計的參考書大多針對某一型號的處理器或操作系統(tǒng)進行詳細講解，沒有提供相應的嵌入式系統(tǒng)基礎知識，而成了一個產(chǎn)品說明書，從而使讀者在面對新的處理器或操作系統(tǒng)時無從下手；或者是只針對嵌入式系統(tǒng)理論知識進行說明、分析，而沒有一個具體的對象，讓讀者感覺像空中樓閣。因此，這些參考書對于嵌入式系統(tǒng)初學者來說，很難真正系統(tǒng)掌握嵌入式系統(tǒng)知識，在進行嵌入式系統(tǒng)設計時，難以設計出一個優(yōu)秀的嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品，從而也限制了行業(yè)的發(fā)展。針對這一情況，作者根據(jù)多年從事嵌入式系統(tǒng)科研及教學經(jīng)驗，結合嵌入式系統(tǒng)理論知識，編寫了本書。在內容的選擇上，采用理論與具體對象結合的原則，采用嵌入式領域應用最廣的ARM處理器和典型的接口及總線作為硬件對象，以編程簡單但功能齊全的uC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)作為主要內容，系統(tǒng)講解了嵌入式系統(tǒng)理論知識及硬件設計、底層驅動編程、系統(tǒng)啟動與中斷處理、操作系統(tǒng)概念及應用等知識，并在此基礎上介紹了嵌入式軟件測試等內容。本書通過對以上內容的介紹，讓讀者將理論知識和具體對象結合起來，真正系統(tǒng)理解和掌握嵌入式系統(tǒng)軟硬件知識，更容易掌握嵌入式系統(tǒng)設計方法。同時，以“總體到具體”、“從底層到上層”順序進行內容安排，也更符合人的思維習慣。因此，本書既可以作為本科高年級學生的教材，也可作為嵌入式系統(tǒng)設計工程師的重要參考書。本書共分為9章，其中第1、2、3章由曾素華編寫，第4、5、8、9章由蔣建春編寫，李勇老師參與了第6、7章的編寫，全書由蔣建春負責統(tǒng)稿。參與編寫人員還有岑明、呂霞付老師，在這里對他們表示感謝。第1章，主要介紹嵌入式系統(tǒng)的概念、應用與發(fā)展。第2章主要介紹嵌入式系統(tǒng)的構架、組成、軟硬件基礎知識以及設計方法等內容。第3章主要講解嵌入式系統(tǒng)平臺構架，常用嵌入式處理器和嵌入式操作系統(tǒng)以及怎樣來構建一個嵌入式系統(tǒng)平臺。第4章介紹了ARM系列處理器的結構、中斷、系統(tǒng)啟動等原理及編程等內容。第5章詳細講解了ARM處理器的常用模塊設計及驅動編程。第6章對嵌入式操作系統(tǒng)的概念、內核結構和功能進行了講解。第7章對uc／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)的內核構架進行了分析，并對操作系統(tǒng)的應用舉例和操作系統(tǒng)移植進行了詳細講解。第8章對嵌入式系統(tǒng)在智能家居系統(tǒng)中的一個具體應用設備進行分析和設計。第9章主要針對嵌入式軟件測試技術基礎進行介紹。

內容概要

　　《嵌入式系統(tǒng)原理與設計》綜合討論了典型嵌入式系統(tǒng)的設計及應用相關知識。作者根據(jù)長期的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)驗，從嵌入式系統(tǒng)研發(fā)人員的角度，分析嵌入式系統(tǒng)設計需要掌握的理論知識、設計方法及步驟，然后介紹了嵌入式系統(tǒng)的基本組成及從底層到應用層各個典型模塊的設計，將理論知識和實際對象充分結合起來，形成了一個完整的嵌入式系統(tǒng)。《嵌入式系統(tǒng)原理與設計》主要內容包括嵌入式系統(tǒng)軟硬件基礎知識、嵌入式系統(tǒng)平臺的構建、基于ARM處理器的系統(tǒng)啟動與中斷處理、典型的外設模塊硬件/驅動程序設計、嵌入式操作系統(tǒng)基礎知識、μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)的應用和移植以及嵌入式軟件測試基礎等部分?！　　肚度胧较到y(tǒng)原理與設計》配有免費電子課件，歡迎選用《嵌入式系統(tǒng)原理與設計》作教材的老師注冊下載或發(fā)郵件索取。　　《嵌入式系統(tǒng)原理與設計》既可以作為高等院校計算機、電子、自動化等專業(yè)大學本科高年級學生的教材，也可作為嵌入式系統(tǒng)設計工程師的重要參考書。

書籍目錄

前言第1章 嵌入式系統(tǒng)概論1.1 嵌入式系統(tǒng)簡介1.1.1 嵌入式系統(tǒng)的歷史1.1.2 嵌入式系統(tǒng)的定義1.1.3 嵌入式系統(tǒng)的特點1.1.4 嵌入式系統(tǒng)的分類1.2 嵌入式系統(tǒng)的應用領域1.3 嵌入式系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢1.3.1 嵌入式系統(tǒng)的現(xiàn)狀1.3.2 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢習題1第2章 嵌入式系統(tǒng)的基礎知識2.1 嵌入式系統(tǒng)的總體結構2.1.1 硬件層2.1.2 中間層2.1.3 系統(tǒng)軟件層2.1.4 功能層2.2 嵌入式系統(tǒng)硬件基礎知識2.2.1 嵌入式微處理器的基礎知識2.2.2 存儲器系統(tǒng)2.2.3 輸入/輸出接口2.3 嵌入式系統(tǒng)軟件基礎知識2.3.1 嵌入式系統(tǒng)軟件的特點2.3.2 嵌入式系統(tǒng)軟件的體系結構2.4 嵌入式系統(tǒng)的設計方法2.4.1 嵌入式系統(tǒng)的設計流程2.4.2 嵌入式系統(tǒng)的硬件/軟件協(xié)同設計技術2.4.3 嵌入式系統(tǒng)的可重構設計技術習題2大作業(yè)1第3章 嵌入式系統(tǒng)平臺的構建3.1 嵌入式系統(tǒng)硬件平臺3.1.1 嵌入式處理器的分類3.1.2 常見的嵌入式處理器3.2 嵌入式軟件平臺3.2.1 嵌入式文件系統(tǒng)3.2.2 嵌入式圖形用戶接口3.2.3 常用嵌入式操作系統(tǒng)3.3 基于S3C44B0X+μC/OS-Ⅱ的嵌入式系統(tǒng)平臺的構建3.3.1 軟、硬件平臺的選擇3.3.2 硬件平臺的結構習題3第4章 ARM嵌入式處理器的體系結構4.1 ARM處理器的體系結構4.1.1 ARM處理器概述4.1.2 ARM內核的種類4.2 ARM處理器的工作模式4.2.1 ARM和Thumb狀態(tài)4.2.2 ARM處理器模式4.2.3 ARM寄存器介紹4.3 ARM中斷處理4.3.1 中斷基礎知識4.3.2 ARM處理器的中斷類型4.3.3 ARM處理器對異常的響應4.3.4 ARM系統(tǒng)的中斷編程機制4.3.5 S3C44B0X中斷編程的應用實例4.4 ARM系統(tǒng)的啟動4.4.1 Boot Loader的概念4.4.2 Boot Loader的主要任務4.4.3 ARM系統(tǒng)的啟動過程4.4.4 ARM系統(tǒng)啟動代碼分析4.5 S3C44B0X簡介習題4大作業(yè)2第5章 嵌入式系統(tǒng)常用模塊設計5.1 電源模塊設計5.1.1 電源工作原理5.1.2 硬件電路設計5.2 復位電路5.2.1 復位原理5.2.2 復位電路設計5.3 異步串行通信接口模塊設計5.3.1 異步串行通信概述5.3.2 S3C440BXMART介紹5.3.3 串口硬件電路設計5.3.4 串口驅動程序設計5.4 A／D轉換器5.4.1 A／D轉換器原理5.4.2 S3C440BXA／D轉換器介紹5.4.3 A／D轉換器驅動程序設計5.5 鍵盤模塊設計5.5.1 常用鍵盤及其原理5.5.2 行列式鍵盤硬件電路設計5.5.3 鍵盤驅動程序設計5.6 觸摸屏模塊設計5.6.1 觸摸屏原理5.6.2 電阻觸摸屏的相關技術5.6.3 觸摸屏電路設計5.6.4 觸摸屏驅動程序設計5.7.LCD模塊設計5.7.1 LCD顯示原理5.7.2 LCD電路設計5.7.3 LCD驅動程序設計5.8 I2C總線接口應用設計5.8.1 I2C總線及接口簡介5.8.2 S3C44BOX的I2C總線接口5.8.3 I2C總線擴展EEPROM電路設計5.8.4 EEPROM驅動程序設計5.9 PWM直流電動機控制接口5.9.1 PWM控制的基本原理5.9.2 S3C44BOX直流電動機控制習題5第6章 嵌入式操作系統(tǒng)的基礎知識6.1 操作系統(tǒng)的基礎知識6.1.1 操作系統(tǒng)的基本概念6.1.2 操作系統(tǒng)的主要功能6.1.3 操作系統(tǒng)的分類6.2 嵌入式操作系統(tǒng)及其特點6.2.1 嵌入式操作系統(tǒng)的特點6.2.2 嵌入式實時操作系統(tǒng)的一些基本概念6.3 常用的通信機制6.3.1 信號量6.3.2 事件6.3.3 郵箱6.3.4 消息隊列習題6大作業(yè)3第7章 嵌入式實時操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ7.1 μC／OS-Ⅱ的內核結構7.1.1 任務管理7.1.2 任務間同步與通信7.1.3 任務調度7.1.4 中斷和時間管理7.2 μC／OS-Ⅱ應用程序舉例7.3 μC／OS-Ⅱ在S3C44BOX上的移植7.3.1 μC／OS-Ⅱ移植的基礎知識7.3.2 μC／OS-Ⅱ在S3C44BOX上移植的實現(xiàn)習題7第8章 家庭安防遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計8.1 功能需求分析及總體設計8.2 系統(tǒng)硬件設計8.2.1 振鈴檢測電路設計8.2.2 摘掛機電路設計8.2.3 電話DTMF收發(fā)器電路設計8.2.4 語音模塊設計8.2.5 GSM通信模塊8.3 系統(tǒng)軟件設計8.3.1 主程序設計8.3.2 報警任務8.3.3 GSM短信查詢控制任務8.3.4 PSTN電話查詢控制任務8.3.5 其他函數(shù)說明習題8第9章 嵌入式軟件測試基礎知識9.1 嵌入式軟件的質量控制9.1.1 嵌入式軟件開發(fā)的質量問題9.1.2 嵌入式軟件的質量模型9.1.3 軟件缺陷9.1.4 提高嵌入式軟件質量的方法9.2 軟件測試的基本概念9.2.1 軟件測試的定義9.2.2 軟件測試的目的和作用9.2.3 軟件測試的分類和軟件測試技術9.3 嵌入式軟件測試9.3.1 嵌入式軟件測試的特點9.3.2 嵌入式軟件的統(tǒng)一測試模型9.3.3 嵌入式軟件的目標機環(huán)境測試和宿主機環(huán)境測試9.3.4 嵌入式軟件的測試步驟概述9.3.5 嵌入式軟件測試和普通軟件測試的區(qū)別9.4 嵌入式軟件測試技術9.4.1 軟件靜態(tài)測試9.4.2 軟件系統(tǒng)測試9.4.3 軟件動態(tài)測試習題9參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：第1章 嵌入式系統(tǒng)概論通過本章的學習，讀者可以了解嵌入式系統(tǒng)的基本概念、特點、應用領域，以及嵌入式系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。1.1 嵌入式系統(tǒng)簡介“嵌入式系統(tǒng)”一般指非PC系統(tǒng)，即有計算機功能但又不能稱為計算機的設備或器材。它是以應用為中心的，軟硬件可縮擴的，適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、相關支撐硬件、嵌入式操作系統(tǒng)（Embedded Operating System，EOS）及應用軟件系統(tǒng)等組成。與通用型計算機系統(tǒng)相比，嵌入式系統(tǒng)功耗低，可靠性高；功能強大，性能價格比高；實時性強，支持多任務；占用空間小，效率高；面向特定應用，可根據(jù)需要靈活定制。嵌入式系統(tǒng)應用廣泛，幾乎包括了生活中的所有電器設備，如個人數(shù)字助理（PDA）、移動計算設備、電視機頂盒、數(shù)字電視、多媒體、汽車、微波爐、數(shù)碼相機、家庭自動化系統(tǒng)、電梯、空調、安全系統(tǒng)、自動售貨機、蜂窩式電話、消費電子設備、工業(yè)自動化儀表與醫(yī)療儀器等。1.1.1 嵌入式系統(tǒng)的歷史雖然嵌入式系統(tǒng)是近幾年才風靡起來的，但是這個概念并非新近才出現(xiàn)。從20世紀70年代單片機的出現(xiàn)到今天各式各樣的嵌入式微處理器、微控制器的大規(guī)模應用，嵌入式系統(tǒng)已有近40年的發(fā)展歷史。作為一個系統(tǒng)，往往是在硬件和軟件交替發(fā)展的雙螺旋的支撐下逐漸趨于穩(wěn)定和成熟的，嵌入式系統(tǒng)也不例外。嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)最初是基于單片機的。20世紀70年代，單片機的出現(xiàn)使得汽車、家電、工業(yè)機器、通信裝置以及成千上萬種產(chǎn)品可以通過在內部嵌入電子裝置來獲得更佳的使用性能：更容易使用、更快、更便宜。這些裝置已經(jīng)初步具備了嵌入式的應用特點，但是這時的應用只是使用8位的芯片，執(zhí)行一些單線程的程序，還不能稱其為“系統(tǒng)”。最早的單片機是Intel公司的8048，它出現(xiàn)在1976年。Motorola公司同時推出了68HC05，Zilog公司推出了Z80系列，這些早期的單片機均含有256B的RAM、4KB的ROM、4個8位并口、1個全雙工串行口、兩個16位定時器。在80年代初，Intel又進一步完善了8048，在它的基礎上研制成功了8051，這在單片機的歷史上是值得紀念的一頁，迄今為止，51系列的單片機仍然是最為成功的單片機芯片，在各種產(chǎn)品中有著非常廣泛的應用。

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