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基于STM32F的嵌入式系统原理与应用

一本由浅入深的微机原理与嵌入式接口技术书,内容与时俱进、语言通俗易懂、案例贴近实用,帮助读者快速入门、高效学习

作者:周杰 周北平 乔杰 李致金
定价:79
印次:1-1
ISBN:9787302637349
出版日期:2023.10.01
印刷日期:2023.10.23

本书首先介绍微型计算机相关基础知识和应用,然后系统论述 ARM Cortex-M3 微处理器架构、开发方法及基本编程汇编语言和程序设计方法,并提供以 STM32Z103VET6 芯片为核心的基础实验平台以及拓展模块。本书详细介绍微处理器多种接口技术,如 GPIO、定时计数器、异步/同步串行通信、DAC/ADC、中断处理以及实时操作系统 FreeRTOS 移植等各种嵌入式接口技术的原理和应用。 根据高等工程专业教育和专业认证的需求,以及对动手能力的培养,本书配有“最小系统”“扩展系统”“高级拓展系统”三种实验平台,紧密结合实验平台,配套基础实验和综合实验。本书实验内容和数量丰富,实例代码均经过平台验证,读者可以直接在实验平台上使用和演练,提高实践和设计能力。 本书内容深入浅出、层次分明、实例丰富,可操作性强,特别适合作为普通高校电子信息类、计算机应用类、自动化类、电气类和机械控制类等专业的教学用书,也可作为培训教材和应用型研究生教学的参考资料,还可供从事嵌入式系统应用的工程技术人员参考。

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前言 集成电路(IC)芯片与CPU控制器行业已成为国内外半导体产业中最具发展活力的领域。在 “十三五”期间,据恒州博智数据显示,2021年中国芯片业的规模已经增长到万亿元级别,年均复合增长率达到17.9%,是同期全球半导体产业年均复合增长率的近4倍。目前,全球半导体行业正经历第三次产业转移,世界半导体产业逐渐向中国大陆转移。未来随着半导体产品国产化的不断加深,控制器芯片行业也将得到更长足的发展,会成为决定国家竞争力的标志。习近平总书记说过: “教育是对中华民族伟大复兴具有决定性意义的事业,高校立身之本在于立德树人。”在教育领域“为党育人,为国育才”的初心使命中,教材是教师教、学生学的重要资料,是教师搞好教书育人工作的具体依据,也是学生获得系统知识,发展智力和提高思想品德觉悟的重要工具。本书在编写过程中与时俱进,注重知识传授与价值引领教育的结合,主要体现在: (1) 加强师生联系,将教学活动由课堂延伸到课外及实验室,构建科学的教学体系; (2) 突出实践教学,虚实结合,构建完整的实验体系; (3) 加强线下和线上MOOC课程建设,提供丰富的教学资源和技术手段,创建师生即时沟通渠道; (4) 强调思政建设,使学生明确学习目的,从“要我学”到“我要学”再到“为何学”,以培养德才兼备的创新型电子信息类人才为目标。过去数十年,“微机原理与接口技术”课程的教材从讲授Z80发展到讲授Intel 80x86/88 处理器,至今还多有使用。“单片机原理应用”课程的许多教材也还在讲授基于Intel 8051内核的单片机。随着科技的进步,多款老旧IC芯片已渐渐远离市场,目前基于ARM CortexM系列内核的处理器芯片已经成为微处理器和微控制器工业应用领域的支柱处理芯片,也出版了相应的教科书。高等院校都在修改人才培养大纲和计划,特别强化实践教学内容。在万物互联的今天,工程师面对的是大数据和复杂工程系统,这对我们的教育提出了更高的要求,需要在教学中实现理论与实践一体化。因此,本书将努力把实践平台和理论教学结合,强化创新工程实践,满足高层次和应用型人才的培养需求。本书具体包含以下内容: 第1章微计算机系统基础知识。介绍微计算机基础知识和相关概念定义,以及各种数制计算与转换。概述ARM的发展历程及其在社会各领域的应用情况。 第2章CortexM3体系结构与芯片。详细介绍CortexM3体系结构,包含三级流水线、总线结构与组成、中断控制机理以及存储器结构的基本情况。 第3章STM32F1系列处理器。概述STM32F1系列处理器产品,详细介绍STM32F103ZET6处理器的内部结构、时钟树及其内部存储器结构与映像。应用STM32F103处理器设计本书的配套实验最小系统、扩展系统和高级实验系统平台,并介绍其仿真开发系统的构建。 第4章STM32程序设计。介绍硬件设计汇编语言、寻址方式、指令集以及程序设计方法和技巧,详细介绍固件库及其应用方法。 第5~10章各种典型扩展外设。详细介绍STM32F103处理器的通用输入/输出 接口(GPIO)、中断控制器(NVIC)、定时计数器及其脉宽调制器(PWM)、各种同步异步串行通信口、ADC/DAC、DMA和FSMC控制器,并在几种实验平台上给出相应的实验例子。 第11章FreeRTOS实时操作系统。鉴于操作系统的优越性,详细介绍FreeRTOS操作系统的原理与使用。针对不同应用系统,给出操作系统的裁剪和移植方法,并在配套高级实验平台上实现和演示。 本书所有的实验代码均通过在线平台调试运行。读者可直接在配套实验平台上反复修改运行和演习,熟练掌握各种接口技术的编程和应用技巧。本书还配套其他教学资源,如PPT课件、习题库、实验指导书和视频,读者可登录中国大学MOOC平台的“微机原理与单片机技术”在线开放课程,或者直接联系作者获取。 特别感谢清华大学出版社在本书的出版过程中给予的指导和大力支持。 本书在编写过程中得到南京信息工程大学的相关老师和同学的关心和支持。在此表示衷心感谢! 由于本书涉及面广,ARM芯片功能强大和应用场景复杂,以及作者的水平和经验有限,本书的疏漏之处在所难免,恳请专家和读者提出批评和指正,以便修订时改正。 编者 2023年10月

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  • "周杰,南京信息工程大学教授、博士生导师。江苏省六大高峰人才资助对象;中国电子学会、通信学会会员、IEEE和IEICE 会员、中国气象学会会员、江苏省气象电子科学与技术学会副主任委员。1990—1998年,重庆邮电大学工程师、副教授;2001年,日本国立新泻大学博士后和助理教授;2002年,重庆邮电大学教授,校特聘教授,通信与电子学科带头人;2005年,南京信息工程大学特聘教授。获江苏省科学技术二等奖和2019年度中国产学研合作创新成果奖二等奖;发表论文100余篇,SCI、EI和ISTP收录论文70余篇;出版教材、专著4部。
    乔杰副,南京信息工程大学副教授。主讲数字信号处理、微机原理与单片机技术等多门课程,具有丰富的一线教学经验。具备丰富的嵌入式系统设计及工业应用经验,为多家企业和行业设计开发嵌入式应用系统,多项研究及应用成果获得国家专利。
    周北平,南京信息工程大学高级工程师。主要从事信息应用与气象传感网系统交叉学科等方面研究。主持参与国家级和省部级项目5项,发表论文6篇,获授权发明专利7项,获长江水利委员会“科学技术奖”一等奖。
    李致金,南京信息工程大学副教授,硕士生导师。主持国家自然科学基金子项目,参与国家自然科学基金、省部级基金项目多项。发表论文20余篇,授权发明专利3项,实用新型专利10余项。"

  • "(1) 体现工程教育专业认证的理念,注重培养学生解决复杂工程问题的能力。突出实践教学,虚实结合,构建完整的实验体系,将课堂教学和嵌入式系统设计能力的培养常态化。
    (2) 采用模块化的系统设计方法,设计了以STM32F103ZET6处理器为核心的实验平台及拓展模块,提高设计的抽象层次,降低设计难度,适用于各种学习层次。书中的实验案例均可在实验平台上运行和演习,帮助读者熟练掌握接口技术的原理及应用。
    (3) 新形态教材,配套资源丰富,包括教学大纲、课程案例、PPT课件、微课视频、MOOC等,可扫描书中二维码下载或观看,或者直接联系作者获取。本书配套的在线开放课程“微机原理与单片机技术”已在中国大学MOOC上线。
    (4) 配套80道基础知识思考题和问答题,查漏补缺、加深知识理解;配套15道设计训练题,掌握完整嵌入式控制系统设计方法,提高工程实践能力;提供标准答案,便于翻转课堂和自主学习。
    (5) 以实验平台为基础,通过选用不同的模块构建设计案例和训练题。每章配套5个典型实用的设计案例,其中3个基础设计、2个综合设计。案例均源自编者数十年从事嵌入式系统设计的深厚积累。
    "

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    第1章微计算机系统基础知识

    1.1概述

    1.2微计算机的基本构成

    1.2.1基本概念

    1.2.2冯·诺伊曼和哈佛结构

    1.2.38086/8088与ARM体系

    1.2.4微计算机编程与操作系统

    1.3数制与编码

    1.3.1二进制/十进制/十六进制

    1.3.2数制间的转换

    1.3.3数值数据编码

    1.3.4字符数据编码

    1.4微计算机应用领域

    第2章CortexM3体系结构与芯片

    2.1概述

    2.2CortexM3内核结构

    2.2.1CortexM3内核组成与特点

    2.2.2CortexM3总线

    2.3基于CortexM3内核的处理器体系结构

    2.3.1工作模式

    2.3.2三级流水线

    2.3.3寄存器

    2.4存储器结构及其管理机制

    2.4.1存储器分类与特点

    2.4.2CortexM3存储器分区

    2.4.3CortexM3非对齐访问和互斥访问

    2.5中断以及异常

    2.5.1中断及异常的概念

    2.5.2CortexM3中断控制器NVIC

    2.5.3CortexM3系统级中断与异常特点

    2.5.4CortexM3中断及异常嵌套与返回途径

    2.5.5高级中断技术

    2.6基于CortexM3内核的STM32处理器

    2.6.1STM32处理器特点

    2.6.2编程模式与调试工具简述

    第3章STM32F1系列处理器

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