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嵌入式系统体系、原理与设计(第2版)

本书面向万物智联的大计算发展背景重构了经典原理和新兴技术、理论知识与科研案例、宏观体系到微观机制、专业知识与科技文化等多维融合的新型知识体系,体系性强、内容新颖、案例丰富、深入浅出,是一部经典的嵌入式系统教材。

作者:张凯龙
定价:79.90
印次:2-1
ISBN:9787302650980
出版日期:2023.12.01
印刷日期:2023.12.20

本书基于多维融合知识体系展开阐述,系统、全面阐述了嵌入式计算机系统的体系、原理与设计方法等内容。全书共11章,首先介绍嵌入式系统概念、内涵、组成、演化及发展趋势,然后分数字电路与嵌入式硬件、嵌入式(系统)软件以及嵌入式系统开发方法三大部分展开论述。硬件部分阐述嵌入式系统硬件设计相关的基础数字电路、(异构)处理器、存储器、最小系统外围电路及I/O接口扩展等硬件组件的基本原理和设计方法;软件部分阐述嵌入式软件的体系结构与基础组件,嵌入式(实时)操作系统的典型模型、服务机制和应用方式,以及主流的嵌入式图形库、文件系统、数据库等系统软件组件;设计与开发部分阐述嵌入式软件与系统的开发机制以及典型的调试、测试、仿真方法。 本书适合作为高等院校计算机、软件、物联网、自动化、电子信息等相关专业或航空航天航海、智能交通等相关专业的高年级本科生、研究生教材,同时也可供专业设计人员参考。

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前言 本书第1版于2017年由清华大学出版社出版。在此后的5年多时间里,本书得到了高校师生及业界工程技术人员的广泛关注。在此期间,作者陆续收到了来自多个教学团队和很多读者的问题咨询和建议反馈,其中涉及课程的内容组织、知识阐述、教学方法、课程资源、习题分析等诸多方面。在这些反馈中,普遍对本书所呈现的多维融合嵌入式系统知识体系给予了高度评价,认为本书从宏观到微观、从模型到具象、从硬件到软件的多维融合知识体系组织方式有效破解了嵌入式系统知识体系中的“树木、森林在有限篇幅内难以兼顾”的内容组织难题,深入浅出、内容丰富且实用易学。因此,本书得到了越来越多的人认可,被国内30多所高校(包括双一流高校)以及中国航空研究院研究生院等作为主要教学资源。同时,作者负责组织建设并主讲的嵌入式系统课程已被评为西北工业大学课程思政示范课程、一流本科课程(线下一流课程)、高水平在线开放课程及在线示范课程,并获得西北工业大学优秀教学成果奖一等奖和二等奖。教材和课程获得的广泛好评使得作者15个月潜心著述所付出的艰辛实现了价值的彰显和升华,对于作者是一种极大的宽慰、鼓舞和鞭策。 信息技术日新月异,嵌入式系统技术快速演化,5年对于嵌入式系统类的专业图书已是较为漫长的时间了。为此,在清华大学出版社的建议下,作者于2021年下半年开始对第1版内容进行修订,经过大半年的技术资料查阅以及增删改等修订工作,最终完成了本书的第2版。本书第2版内容的组织依然以多维融合的知识体系为主要框架,具体分为嵌入式系统概述、数字电路与嵌入式硬件、嵌入式软件与嵌入式开发方法四大部分,共11章,知识框架如图1所示。其中,第1章为概述,第2~6章为数字电路与嵌入式硬件,第7~10章为嵌入式软件,第11章为嵌入式系统开发方法。 图1本书的知识架构 具体内容安排及修订情况简要说明如下。 第1章从科技历史与文化着手,从现代信息科学、计算科学、通信技术及网络技术等的交叉融合和发展导入,以泛在计算、信息物理融合计算为背景分析了嵌入式(计算机)系统的经典、高阶概念及其内涵,重点讨论了计算装置的可嵌入式发展过程以及嵌入式系统、组成、特点、趋势,对嵌入式系统与信息物理系统(CPS)、物联网(IoT)的联系及区别进行了辨析。同时,对习题进行了重新设计。 第2章总结、论述了与本书后续内容密切相关的硬件电路知识;进而阐述了嵌入式硬件的架构模型与子系统组成、典型嵌入式系统的硬件形式以及基本的硬件设计方法。第2版重点对集电极开路、上/下拉电阻、漏极开路与推挽电路、习题等内容进行了修订。需要说明的是,本章所涉及的电路、硬件等知识是从本书后续内容的需要中反向归纳得出的,是必要但非充分的。 第3章从嵌入式处理器的组成模型和典型逻辑架构出发,总结、阐述了不同类型嵌入式处理器的体系、组成、特点及差异,在此基础上分析了几种典型嵌入式处理器体系的机制和特性。第2版增加了RISCV指令集及处理器,总结、更新了ARM、SoC、AI(众核)计算等处理器的最新发展及特性,并对习题进行了重新设计。 第4章归纳、讨论了嵌入式存储器子系统的体系与模型,重点分析了不同类型存储器的架构、原理、特性以及微观的电路机制,并对存储器的测试与验证方法进行了简要介绍。第2版重点对混合存储器、新存储技术以及习题进行了重新设计。 第5章围绕最小系统硬件设计,阐述了电源、复位、时钟等外围电路的基本工作原理与设计机制,并对相关知识进行了延伸讨论。第2版增加了最小系统的内容,更新了时钟电路、低功耗设计等内容,重新设计了习题。 第6章面向完整的嵌入式系统硬件设计需要,论述了通用和典型I/O与总线的原理、特性及应用机制。第2版对SPI接口、VPX总线、蓝牙、WiFi等内容进行了修订和更新,对习题进行了重新设计。 第7章在分析嵌入式系统启动与运行过程的基础上,总结了嵌入式软件系统的典型架构,重点对系统软件中基础软件组件的机制与特性进行了分析和讨论。第2版对嵌入式系统启动过程与模式、Boot Loader、BSP等内容、示例进行了修订,并增加了对容器、微服务与云原生的讨论,重新设计了习题。 第8章系统地讨论了嵌入式操作系统的相关内容。本章首先归纳了嵌入式操作系统的架构模型,进而分析了不同嵌入式操作系统所呈现的共性服务机制和特性,最后给出了几个典型嵌入式操作系统的实例分析。第2版对微内核、EOS模型、优先级翻转问题的解决方法、实时性与实时系统、内核服务等内容进行了全面修订,典型嵌入式操作系统部分删掉了Windows Embedded系列操作系统的分析,增加了SylixOS、鸿蒙等典型国产操作系统的分析,重新设计了习题。 第9章结合典型软件实现分析和讨论了嵌入式图形库、文件系统、数据库、协议栈等嵌入式软件组件的原理与机制。第2版与第1版内容基本一致,主要修改了第1版中的错误,补充了习题。 第10章综合阐述了嵌入式应用软件的设计方法,包括嵌入式应用软件典型结构、中断与数据共享问题、嵌入式软件设计机制以及软件工程方法等。第2版对模块化任务设计、中断服务程序设计等内容进行了修订,增加了对Dev(Sec)Ops方法的讨论,重新设计了习题。 第11章根据嵌入式系统的开发特点,总结了嵌入式软件与系统开发过程中的调试、测试及仿真验证等技术的基本原理、工作机制和实施方法。第2版与第1版内容基本一致,更新了部分示例和内容。 本书写作采用了整体体系贯穿与局部深度剖析相结合、共性机理归纳与设计案例分析相呼应的思路,系统、生动又深入浅出地呈现了嵌入式系统技术所涉及的体系架构、技术原理与设计方法等,第2版在强调新颖性、技术性、思想性的同时又进一步提升了实用性和易读性。 除了对专业内容的修订之外,第2版中还引用了《柏拉图与技术呆子》等以数字技术为主要背景的科技哲学著作中的内容,进而形成了包括科技事例、科技文化和科技哲学等在内的课程思政元素,期望能为读者提供超出技术本身的更高层次的知识营养。 在本书的写作过程中,作者得到了同行、亲友的关心、鼓励与热心帮助,他们是我不断前行的动力,作者在此一并表示感谢。特别感谢中国计算机学会嵌入式系统专业委员会主任、西安电子科技大学副校长王泉教授,西北工业大学副校长张艳宁教授,西北工业大学软件学院院长郑江滨教授,西北工业大学计算机学院院长尚学群教授等。感谢在书稿校对中付出智慧和辛勤努力的赵启迪、冯靖凯、李强、茆汉兵、杜长怡、龚祖、王天洋、李丘刚、裴伯昊、侯博元等多位研究生。 感谢我的家人!母亲在电话里时时叮嘱我: 迈入中年,要在工作中注意休息和身体。戎马躬耕一生的父亲已离我远去,但他潜心求学、迎难而上、踏实肯干的精神已深深融入我的生命,也在我们家庭中长久延续。 感谢我的夫人李瑜女士给予的支持和照顾,感谢嘉航、嘉芮两位少年给我带来的教育挑战和乐趣。让我们在大爱中共同成长、一起进步! 张凯龙西北工业大学软件学院教授中国计算机学会嵌入式系统专业委员会秘书长2023年5月于西安

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  • 以万物智联时代的数字化、智能化为背景,结合嵌入式计算与系统技术的经典内涵及新的发展趋势,本书从体系的角度有机阐述嵌入式系统的经典知识和新兴技术。在写作方法上,采用贯穿体系与局部剖析、共性建模与个体设计相结合,理论阐述与实例分析相呼应的思路,以实现宏观特征至微观特性、硬件逻辑到软件方法、关键技术到系统开发全部有效穿透的目标,系统地论述嵌入式系统所涉及到的体系架构、技术原理与设计机制等内容。本书中安排的核心内容纲领明晰且重点突出,既涵盖嵌入式系统的经典体系和内容,又阐述、分析本领域的新技术和新方向;在“厚基础”的同时又注重新知识的引导,在理论主线延展的同时对每一个环节上经典的以及新呈现的“嵌入式”特性进行深入地分析、比较和论述,保证教材内容既有体系性、技术性、新颖性又不乏易读性和实用性。同时,与作者在中国大学MOOC所建成的嵌入式系统慕课和丰富的在线习题及测验资源配套,可进一步形成线上、线下融合的高效学习模式。

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  • 目录

    第1章概述1

    1.1背景延伸: 现代信息与计算概念的缘起1

    1.1.1麦克斯韦妖、信息与智慧1

    1.1.2计算理论与技术的出现3

    1.1.3现代计算机技术的诞生与演化5

    1.1.4电子通信与网络技术发展8

    1.2理解嵌入式系统9

    1.2.1计算装置的可嵌入发展9

    1.2.2嵌入式系统内涵的演化11

    1.2.3相关术语辨析15

    1.3嵌入式系统的组成与特点17

    1.3.1组成结构17

    1.3.2技术特点与发展趋势18

    1.4知识体系23

    1.5小结26

    习题26

    第2章嵌入式硬件基础27

    2.1器件和电路术语及基本元件27

    2.1.1器件术语27

    2.1.2电路术语30

    2.1.3基本元件32

    2.2嵌入式系统硬件组成38

    2.2.1硬件基本架构模型38

    2.2.2处理器子系统39

    2.2.3存储子系统41

    2.2.4时钟子系统42

    2.2.5I/O子系统44

    2.3嵌入式系统硬件典型形式44

    2.3.1基于通用计算机扩展的嵌入式硬件44

    2.3.2基于领域标准模块集成的嵌入式硬件45

    2.3.3面向具体产品的专用嵌入式硬件47

    2.4硬件设计基本方法48

    2.4.1Protel EDA软件48

    2.4.2电路设计基本流程51

    2.4.3电磁兼容性问题53

    2.4.4低功耗问题57

    2.4.5嵌入式硬件设计示例58

    2.5小结67

    习题67

    第3章嵌入式处理器68

    3.1处理器模型与逻辑体系68

    3.1.1处理器基本组成模型 68

    3.1.2典型处理器架构72

    3.2嵌入...

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