嵌入式系統(tǒng)設(shè)計大學(xué)教程

前言

歡迎學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)！通過嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，你將開始探索一個美妙而富有挑戰(zhàn)的領(lǐng)域。嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地滲透到科學(xué)研究、工程設(shè)計、軍事技術(shù)、各類產(chǎn)業(yè)以及人們的日常生活中。隨著國內(nèi)外各種嵌入式產(chǎn)品的進一步開發(fā)和推廣，嵌入式技術(shù)和人們的生活越來越緊密地結(jié)合起來。嵌入式技術(shù)是IT領(lǐng)域中發(fā)展最快的技術(shù)，并將保持高速的技術(shù)發(fā)展和巨大的商業(yè)應(yīng)用機會。其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，而且技術(shù)高度分散，誰也無力獨霸這一市場，這正是后PC時代中國IT技術(shù)發(fā)展面臨的難得機遇。加快嵌入式技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，掌握嵌入式開發(fā)核心技術(shù)，對于未能趕上前幾次世界范圍計算機技術(shù)發(fā)展機遇的中國來說非常重要?！肚度胧较到y(tǒng)設(shè)計大學(xué)教程》的結(jié)構(gòu)《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計大學(xué)教程》是面向21世紀教育改革的高等院校計算機基礎(chǔ)教材，針對各高校相關(guān)專業(yè)的本科生教學(xué)而設(shè)計，也可作為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的初中級設(shè)計人員的參考用書。《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計大學(xué)教程》以嵌入式系統(tǒng)的基本開發(fā)技術(shù)為主線，以ARM處理器以及TI公司應(yīng)用最為廣泛的DSP內(nèi)核與ARM926EJ-S微處理器組成的雙核應(yīng)用處理器OMAP5912為硬件平臺，以免費的、源代碼完全開放的Linux操作系統(tǒng)為軟件平臺，系統(tǒng)地講述了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的基本知識、基本流程和基本方法。全書分為9章，共4大部分：嵌入式系統(tǒng)、硬件開發(fā)技術(shù)、軟件程序設(shè)計和開發(fā)應(yīng)用實例。

內(nèi)容概要

　　《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計大學(xué)教程》以嵌入式系統(tǒng)開發(fā)為主線，以Linux操作系統(tǒng)為軟件平臺，系統(tǒng)介紹了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的基本知識、基本流程和基本方法。全書共分9章，分別對嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識、嵌入式硬件開發(fā)技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)軟件程序設(shè)計內(nèi)容進行詳細介紹，并附以一個完整的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計案例。　　《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計大學(xué)教程》內(nèi)容豐富，結(jié)構(gòu)合理，概念清晰，既可作為高等院校計算機及相關(guān)專業(yè)嵌入式課程的教材，也可供工程技術(shù)人員自學(xué)參考。

作者簡介

劉藝，副教授，中國計算機學(xué)會高級會員，知名計算機專業(yè)作家。長期從事計算機課程的教學(xué)和教材編寫工作。曾獲全軍軟件比賽一等獎，主持的科研項目獲全軍科技進步獎。著有《Delphi面向?qū)ο缶幊趟枷搿返?0部有影響的計算機專著，主編‘‘計算機大學(xué)教程系列教材”5部，其中《Java程序設(shè)計大學(xué)教程》被評為普通高等院?！笆晃濉眹壹壱?guī)劃教材。翻譯《計算機科學(xué)概論》、《計算機科學(xué)導(dǎo)論》等國外著名大學(xué)計算機教材6部。另外還編著有《計算機英語》、《新編計算機英語》等暢銷教材3部。

書籍目錄

第1部分 嵌入式系統(tǒng)第1章 嵌入式系統(tǒng)概述1.1 什么是嵌入式系統(tǒng)1.2 嵌入式系統(tǒng)的特點1.3 嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)1.3.1 硬件平臺1.3.2 硬件抽象層1.3.3 實時操作系統(tǒng)1.3.4 實時應(yīng)用程序1.4 嵌入式系統(tǒng)的分類1.5 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用本章 小結(jié)思考與練習(xí)題第2章 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基本概念2.1 嵌入式硬件系統(tǒng)2.1.1 嵌入式處理器2.1.2 存儲器2.1.3 外圍設(shè)備2.2 嵌入式操作系統(tǒng)2.2.1 嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展2.2.2 嵌入式實時操作系統(tǒng)的分類2.2.3 嵌入式實時操作系統(tǒng)的可裁剪性及其實現(xiàn)2.2.4 常用的實時操作系統(tǒng)2.3 嵌入式系統(tǒng)的基本設(shè)計過程2.3.1 需求分析2.3.2 規(guī)格說明2.3.3 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計2.3.4 設(shè)計硬件構(gòu)件和軟件構(gòu)件2.3.5 系統(tǒng)調(diào)試與集成2.4 本教程選擇的軟硬件平臺2.4.1 教學(xué)硬件平臺——ARM2.4.2 教學(xué)軟件平臺——Linux本章 小結(jié)思考與練習(xí)題第2部分 嵌入式系統(tǒng)硬件開發(fā)技術(shù)第3章 基于ARM的處理器體系結(jié)構(gòu)3.1 ARM體系結(jié)構(gòu)3.1.1 ARM微處理器結(jié)構(gòu)3.1.2 ARM工作狀態(tài)3.1.3 ARM微處理器的寄存器組織3.1.4 ARM微處理器的指令結(jié)構(gòu)3.2 ARM9處理器簡介3.2.1 與ARM7處理器比較3.2.2 OMAP5912處理器介紹本章 小結(jié)思考與練習(xí)題第4章 ARM微處理器的編程模型與指令系統(tǒng)4.1 ARM微處理器的工作狀態(tài)4.2 ARM微處理器的運行模式4.3 ARM體系結(jié)構(gòu)的存儲器格式4.3.1 大端格式4.3.2 小端格式4.4 寄存器組織4.4.1 ARM狀態(tài)下的寄存器組織4.4.2 Thumb狀態(tài)下的寄存器組織4.5 ARM的異常4.5.1 ARM體系結(jié)構(gòu)所支持的異常類型4.5.2 異常向量(ExceptionVectors)4.5.3 對異常的響應(yīng)4.5.4 從異常返回4.5.5 各類異常的具體描述4.5.6 異常的進入/退出4.5.7 異常優(yōu)先級(ExceptionPriorities)4.6 ARM微處理器的指令系統(tǒng)基礎(chǔ)4.6.1 指令長度及數(shù)據(jù)類型4.6.2 ARM微處理器的指令的分類與格式4.6.3 指令的條件域4.7 ARM指令的尋址方式4.7.1 立即尋址4.7.2 寄存器尋址4.7.3 寄存器間接尋址4.7.4 基址變址尋址4.7.5 多寄存器尋址4.7.6 堆棧尋址4.7.7 相對尋址4.8 ARM指令集4.8.1 數(shù)據(jù)處理指令4.8.2 乘法指令與乘加指令4.8.3 程序狀態(tài)寄存器訪問指令4.8.4 加載/存儲指令4.8.5 批量數(shù)據(jù)加載/存儲指令4.8.6 跳轉(zhuǎn)指令4.8.7 數(shù)據(jù)交換指令4.8.8 移位指令(操作)4.8.9 協(xié)處理器指令4.8.10 異常產(chǎn)生指令4.9 Thumb指令及應(yīng)用4.9.1 Thumb編程模型4.9.2 Thumb狀態(tài)切換4.9.3 Thumb指令集特點本章 小結(jié)思考與練習(xí)題第3部分 嵌入式系統(tǒng)軟件程序設(shè)計第5章 嵌入式操作系統(tǒng)5.1 嵌入式系統(tǒng)的進程5.1.1 進程的概念5.1.2 上下文切換5.1.3 進程狀態(tài)5.1.4 進程調(diào)度5.1.5 進程間通信機制5.2 嵌入式操作系統(tǒng)的中斷和時鐘管理5.2.1 中斷管理5.2.2 時鐘管理5.3 嵌入式操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理5.3.1 內(nèi)存管理的主要功能5.3.2 虛擬內(nèi)存的概念5.4 常用嵌入式操作系統(tǒng)5.4.1 mC/OS-II5.4.2 Linux操作系統(tǒng)本章 小結(jié)思考與練習(xí)題第6章 嵌入式Linux開發(fā)環(huán)境及其在ARM上的移植6.1 嵌入式Linux開發(fā)環(huán)境6.1.1 交叉編譯工具介紹6.1.2 交叉編譯環(huán)境的建立6.2 嵌入式Linux在ARM平臺上的移植6.2.1 Linux內(nèi)核源代碼的基本組織情況6.2.2 嵌入式Linux內(nèi)核裁剪方法6.2.3 嵌入式Linux內(nèi)核定制過程6.2.4 內(nèi)核編譯及裝載6.2.5 文件系統(tǒng)及其實現(xiàn)本章 小結(jié)思考與練習(xí)題第7章 設(shè)備驅(qū)動程序7.1 概述7.1.1 設(shè)備驅(qū)動原理7.1.2 模塊化編程7.1.3 設(shè)備類型7.1.4 設(shè)備號7.2 設(shè)備文件接口7.2.1 用戶訪問接口7.2.2 一些重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)7.2.3 I/O操作7.3 中斷處理7.3.1 注冊中斷處理程序7.3.2 中斷處理程序?qū)崿F(xiàn)7.4 應(yīng)用實例7.4.1 字符設(shè)備——按鍵驅(qū)動程序7.4.2 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備——CS8900A芯片驅(qū)動程序7.4.3 CAN總線驅(qū)動開發(fā)本章 小結(jié)思考與練習(xí)題第8章 用戶圖形接口GUI8.1 嵌入式系統(tǒng)中的GUI8.1.1 嵌入式GUI的發(fā)展需求8.1.2 嵌入式GUI的功能特點8.1.3 目前流行的嵌入式GUI系統(tǒng)8.2 Qt/Embedded基礎(chǔ)8.2.1 Qt/Embedded簡介8.2.2 Qt/Embedded特點8.2.3 Qt/Embedded體系架構(gòu)8.3 Qt/Embedded開發(fā)環(huán)境8.3.1 Qt/E2.x系列8.3.2 Qt/E3.x系列8.4 Qt/Embedded開發(fā)實例8.4.1 Qt/Embedded應(yīng)用系統(tǒng)基本開發(fā)流程8.4.2 Qt/Embedded下觸摸屏驅(qū)動的設(shè)計本章 小結(jié)思考與練習(xí)題第4部分 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用實例第9章 基于OMAP5912的開發(fā)應(yīng)用實例9.1 MAP5912的結(jié)構(gòu)和特點9.1.1 ARM926EJ-S內(nèi)核9.1.2 TMS320C55x內(nèi)核9.1.3 存儲器管理9.1.4 直接存儲器訪問控制器(DMA)9.1.5 時鐘和電源管理9.1.6 外圍控制模塊9.2 基于OMAP5912的硬件平臺設(shè)計9.2.1 電源管理模塊9.2.2 存儲模塊9.2.3 音頻處理模塊9.2.4 外圍接口9.3 基于OMAP5912的軟件系統(tǒng)設(shè)計9.3.1 OMAP5912系統(tǒng)的軟件架構(gòu)9.3.2 嵌入式Linux系統(tǒng)的啟動流程9.3.3 Bootloader及其移植9.3.4 MontaVistaLinux內(nèi)核的移植9.3.5 文件系統(tǒng)的移植9.3.6 基于OMAP5912平臺的Linux設(shè)備驅(qū)動程序本章 小結(jié)思考與練習(xí)題縮略語參考文獻

章節(jié)摘錄

體系結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的一個計劃。它給出嵌入式系統(tǒng)的總體架構(gòu)，從功能實現(xiàn)上對軟硬件進行劃分。在此基礎(chǔ)上，選定處理器和基本接口器件，根據(jù)系統(tǒng)的復(fù)雜程度確定是否使用操作系統(tǒng)，以及選擇哪種操作系統(tǒng)。此外，還需要選擇系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境。1．硬件平臺的選擇（1）處理器的選擇嵌入式系統(tǒng)的核心部件是各種類型的嵌入式處理器。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全世界嵌入式處理器的品種總量已經(jīng)超過1000多種，流行體系有30幾個系列。但與全球PC市場不同的是，沒有一種微處理器和微處理器公司可以主導(dǎo)嵌入式系統(tǒng)。僅以32位的CPU而言，就有100種以上嵌入式微處理器。由于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的差異性很大，因此選擇是多樣化的。設(shè)計者在選擇處理器時要考慮的主要因素有以下幾點。①處理性能一個處理器的性能取決于多個方面的因素，如時鐘頻率、內(nèi)部寄存器的大小、指令是否正確等。對于許多需用處理器的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計來說，目標(biāo)不是在于挑選速度最快的處理器，而是在于選取能夠完成作業(yè)的處理器和I／O子系統(tǒng)。如果是面向高性能的應(yīng)用設(shè)計，那么建議考慮某些新的處理器，其價格相對低廉，如IBM和Motorola’Power PC。  ②技術(shù)指標(biāo)  當(dāng)前，許多嵌入式處理器都集成了外圍設(shè)備的功能，減少了芯片的數(shù)量，降低了整個系統(tǒng)的開發(fā)費用。開發(fā)人員首先考慮的是，系統(tǒng)所要求的一些硬件能否無需過多的膠合邏輯（（31ue Logic，GL）就可以連接到處理器上。其次是考慮該處理器的一些支持芯片，如DMA控制器、內(nèi)存管理器、中斷控制器、串行設(shè)備、時鐘等的配套。③功耗嵌入式微處理器最大并且增長最快的市場是手持設(shè)備、電子記事本、PDA、手機、GPS導(dǎo)航器、智能家電等消費類電子產(chǎn)品。這些產(chǎn)品選購的微處理器的典型特點是要求高性能、低功耗。許多CPU生產(chǎn)廠家已經(jīng)進入了這個領(lǐng)域。現(xiàn)在，用戶可以買到的嵌入式微處理器，速度像筆記本中的Pentium一樣快，只需使用普通電池供電即可，并且價格很便宜。如果用于工業(yè)控制，則對功耗的考慮較弱。④軟件支持工具僅有一個處理器，沒有較好的軟件開發(fā)工具的支持也是不行的，因此選擇合適的軟件開發(fā)工具對系統(tǒng)的實現(xiàn)會起到很好的作用。⑤是否內(nèi)置調(diào)試工具處理器如果內(nèi)置調(diào)試工具可以大大縮小調(diào)試周期，降低調(diào)試的難度。⑥供應(yīng)商是否提供評估板許多處理器供應(yīng)商可以提供評估板來驗證理論是否正確，決策是否得當(dāng)。（2）硬件選擇的其他因素首先，需要考慮生產(chǎn)規(guī)模。如果生產(chǎn)規(guī)模比較大，可以自己設(shè)計和制備硬件，這樣可以降低成本。反之，最好從第三方購買主板和I／O板卡。其次，需要考慮開發(fā)的市場目標(biāo)。如果想使產(chǎn)品盡快發(fā)售，以獲得競爭力，就要盡可能購買成熟的硬件。反之，可以自己設(shè)計硬件，降低成本。

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《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計大學(xué)教程》采用嵌入式教學(xué)架構(gòu)ARM+Linux，全面闡述嵌入式系統(tǒng)設(shè)計原理與過程，以豐富實例詳細講述嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計大學(xué)教程》是由長期從事嵌入式系統(tǒng)開發(fā)和教學(xué)的高校老師精心編寫的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計教材。在編寫過程中，精選內(nèi)容，力求符合從事嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的初學(xué)者的需求特點，做到概念清晰、理論聯(lián)系實際。全書以面向21世紀教學(xué)改革的思路啟迪思維、拓寬視野、注重實踐。采用公認的最適合嵌入式教學(xué)的架構(gòu)——ARM+Linux（u C／OS-II）。內(nèi)容深入淺出、圖文并茂、通俗易懂。對嵌入式系統(tǒng)的基本概念、原理和基本設(shè)計過程的講述由淺入深，循序漸進，深入細微。文字敘述條理清楚，適于讀者自學(xué)。理論與實踐緊密結(jié)合。以豐富的實例講述嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，將嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)與原理介紹相結(jié)合，較全面地向讀者展現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的全過程。

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