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第1章 嵌入式系统概述1

1.1概述1

1.2嵌入式系统的概念1

1.3嵌入式系统的发展2

1.3.1嵌入式系统的发展历程2

1.3.2嵌入式处理器的发展3

1.4嵌入式系统的特点4

1.5嵌入式系统的组成6

1.5.1嵌入式处理器7

1.5.2存储器8

1.5.3输入／输出接口8

1.6嵌入式系统的种类8

1.7嵌入式系统的调试方法9

1.7.1基于主机的调试10

1.7.2远程调试器与调试内核10

1.7.3在线仿真ICE12

1.7.4 BDM16

1.7.5 JTAG19

1.7.6软件仿真器21

1.8嵌入式系统的应用22

1.8.1消费类电子产品23

1.8.2办公自动化产品23

1.8.3控制系统与工业自动化23

1.8.4生物医学系统23

1.8.5现场仪器23

1.8.6网络通信设备24

1.8.7电信设备24

1.9嵌入式系统的发展趋势24

1.9.1硬件的发展24

1.9.2软件的发展25

1.9.3系统的发展26

1.10本章小结27

思考题27

第2章 嵌入式系统开发流程28

2.1概述28

2.2需求分析阶段28

2.2.1分析用户的需求28

2.2.2确定硬件和软件31

2.2.3对需求分析的结果进行检查31

2.2.4确定项目的约束条件32

2.2.5概要设计33

2.3详细设计阶段35

2.3.1审查分析资料36

2.3.2体系结构设计36

2.3.3硬件与软件的划分37

2.3.4硬件和软件的设计次序37

2.3.5硬件设计38

2.3.6软件设计39

2.3.7检查设计41

2.4科研开发阶段41

2.4.1选择开发平台41

2.4.2软件开发过程46

2.5测试阶段48

2.5.1测试的原因48

2.5.2何时测试50

2.5.3测试内容51

2.5.4何时停止测试52

2.5.5选择测试实例52

2.5.6嵌入式系统的实时失败模式54

2.5.7评估测试的覆盖率55

2.5.8性能测试57

2.5.9维护和测试58

2.6本章小结59

思考题59

第3章 嵌入式处理器60

3.1概述60

3.2嵌入式系统硬件子系统组成60

3.2.1嵌入系统的方式61

3.2.2硬件子系统总体组成62

3.2.3嵌入式处理器子系统63

3.2.4嵌入式存储器子系统67

3.2.5附属电路和I/O子系统67

3.2.6调试子系统67

3.2.7如何选择处理单元68

3.3嵌入式处理器的技术指标68

3.4典型的嵌入式处理器70

3.4.1 MicroChip系列嵌入式微控制器70

3.4.2 NXP LPC嵌入式微控制器系列71

3.4.3 Freescale微控制器MC68HC08系列73

3.4.4 MCS-51系列嵌入式控制器／处理器75

3.4.5 Atmel公司的AVR系列微控制器77

3.4.6 MC68HC12系列处理器79

3.4.7 PowerPC系列32位嵌入式处理器79

3.4.8 ColdFire系列32位嵌入式处理器80

3.4.9 ARM系列83

3.5如何选择嵌入式处理器100

3.5.1选择处理器的总原则100

3.5.2选择嵌入式处理器的具体方法101

3.6嵌入式CPU子系统的设计方法102

3.6.1设计原则102

3.6.2基于微控制器的设计104

3.6.3基于微处理器的设计106

3.7本章小结111

思考题112

第4章 嵌入式系统的存储器113

4.1概述113

4.2嵌入式系统存储器的结构和组织113

4.2.1存储器的结构113

4.2.2嵌入式系统存储器子系统的结构114

4.3存储器的性能指标115

4.4存储器的工作时序116

4.5存储器的分类118

4.6随机存储器RAM119

4.6.1静态RAM119

4.6.2动态RAM122

4.6.3双端口RAM127

4.6.4如何选择RAM135

4.7只读存储器ROM136

4.7.1 EPROM136

4.7.2 EEPROM139

4.7.3 FLASH141

4.7.4只读存储器的编程147

4.8混合类型存储器150

4.9存储器的测试150

4.9.1存储器芯片本身的问题151

4.9.2电子线路的问题151

4.9.3无存储器芯片152

4.9.4芯片的不正确插入152

4.9.5制定测试策略152

4.10验证只读存储器的内容158

4.10.1校验和158

4.10.2循环冗余码159

4.11系统配置数据存储器160

4.12本章小结162

思考题162

第5章 嵌入式系统的I/O模块163

5.1概述163

5.2复位电路163

5.2.1阻容复位电路163

5.2.2手动复位电路164

5.2.3看门狗复位164

5.2.4专用复位电路165

5.2.5内部复位电路166

5.2.6软件复位166

5.3系统时钟166

5.3.1 RC时钟167

5.3.2石英晶体167

5.3.3石英振荡器167

5.3.4锁相倍频时钟与多时钟源168

5.4 I/O模块169

5.4.1 I/O接口的基本结构169

5.4.2 I/O接口的信号及其作用170

5.4.3寄存器地址的映射方式170

5.5嵌入式系统的译码器171

5.5.1译码器的作用和种类171

5.5.2可编程器件译码器171

5.5.3嵌入式处理器上的集成译码模块172

5.5.4 ARM处理器上的译码电路与应用172

5.6定时器／计数器173

5.6.1定时器／计数器的功能173

5.6.2定时器／计数器的基本结构173

5.6.3定时器／计数器的工作模式174

5.6.4示例：80186EB定时器／计数器174

5.7 SPI接口模块175

5.7.1 SPI原理175

5.7.2 SPI的数据流动177

5.7.3 SPI功能177

5.7.4 SPI引脚178

5.7.5 SPI寄存器179

5.8 UART182

5.8.1串行接收机RxMachine182

5.8.2串行发送机TxMachine183

5.8.3基本特征184

5.8.4通信模式184

5.8.5 UART的编程和使用185

5.9通用并行接口185

5.9.1通用并口的基本特点185

5.9.2 I/O端口的编程结构189

5.9.3通用并口的操作189

5.10 IIC接口189

5.11 IIS接口与音频输入输出190

5.12 LCD显示屏接口191

5.12.1概述191

5.12.2 LCD接口的主要特点192

5.13触摸屏接口193

5.14 A/D接口194

5.15实时时钟模块195

5.16以太网接口196

5.17其他接口模块198

5.18本章小结199

思考题199

第6章 裸机系统的软件开发200

6.1概述200

6.2嵌入式的软件结构和组成200

6.2.1裸机嵌入式系统软件的组成201

6.2.2初始化引导代码201

6.2.3设备驱动程序202

6.2.4中断服务程序202

6.2.5库函数202

6.2.6应用主程序203

6.2.7全局变量203

6.2.8子程序或函数203

6.2.9监控程序204

6.3裸机嵌入式软件系统的设计方法204

6.3.1前后台系统204

6.3.2中断（事件）驱动系统208

6.3.3巡回服务系统210

6.3.4基于定时器的巡回服务方式211

6.4程序移植问题212

6.4.1移植的必要性212

6.4.2裸机系统的软件移植213

6.4.3可移植应用软件的设计原则216

6.5本章小结219

思考题219

第7章 嵌入式实时多任务操作系统与应用开发220

7.1概述220

7.2操作系统介绍221

7.2.1什么是操作系统221

7.2.2操作系统的功能组成222

7.3嵌入式RTOS的基本概念224

7.4 RTOS的关键技术指标225

7.5 RTOS基本术语226

7.6 RTOS要求227

7.7常用的嵌入式操作系统228

7.7.1 Nucleus Plus228

7.7.2 VxWorks230

7.7.3μC/OS-231

7.7.4嵌入式Linux232

7.7.5 QNX233

7.7.6 ThreadX234

7.7.7 WindowsCE235

7.8利用嵌入式操作系统开发应用238

7.8.1软件组成与运行流程238

7.8.2多任务系统的应用程序模板247

7.8.3任务控制249

7.8.4任务之间的通信250

7.8.5任务之间的同步253

7.8.6定时器258

7.8.7动态存储器260

7.8.8分区存储器264

7.9如何选择嵌入式操作系统266

7.9.1概述266

7.9.2选择实时操作系统的依据267

7.10本章小结271

思考题272

第8章 嵌入式网络与协议栈273

8.1概述273

8.2嵌入式网络274

8.2.1分布式嵌入式系统274

8.2.2基于网络的设计过程279

8.3工业网络与现场总线281

8.3.1 FF总线协议283

8.3.2 HART协议285

8.3.3 Profibus协议286

8.3.4 CAN协议288

8.3.5 Control Net290

8.3.6 Device Net290

8.4嵌入式系统的联网291

8.4.1选择协议栈291

8.4.2选择网络技术292

8.4.3选择成熟的实现方案292

8.4.4使用标准的应用协议293

8.4.5流行的网络体系结构293

8.5嵌入式INTERNET294

8.5.1嵌入式Internet概述294

8.5.2嵌入式Internet的应用295

8.5.3嵌入式Internet的原理296

8.5.4嵌入式Internet的接入方案举例298

8.5.5开发工具举例—EMIT开发方法300

8.5.6嵌入式TCP/IP301

8.6蓝牙技术304

8.6.1蓝牙技术及特点304

8.6.2蓝牙协议栈305

8.6.3蓝牙应用产品307

8.7本章小结307

思考题308

第9章 嵌入式软件组件309

9.1概述309

9.2嵌入式系统模型309

9.3键盘310

9.3.1键盘模型310

9.3.2模块结构311

9.3.3接口函数312

9.4 LED显示屏314

9.4.1模型314

9.4.2模块结构316

9.4.3接口函数的定义与使用317

9.5 LCD显示屏319

9.5.1模型319

9.5.2模块实现320

9.5.3接口函数321

9.6日历时钟324

9.6.1概述324

9.6.2模块实现325

9.6.3接口函数325

9.7模拟量输入327

9.7.1模型327

9.7.2接口函数328

9.7.3读取模／数转换结果的方法328

9.8模拟量输出331

9.8.1模型331

9.8.2接口函数331

9.8.3模块实现332

9.9开关量输入／输出332

9.9.1模型332

9.9.2接口函数333

9.9.3支持位操作的处理器335

9.10异步串行通信UART335

9.10.1模型335

9.10.2模块实现336

9.10.3接口函数339

9.11 EEPROM读写模块342

9.11.1概述342

9.11.2接口函数342

9.12其他组件模块343

9.13本章小结344

思考题344

第10章 嵌入式文件系统345

10.1概述345

10.2存储介质345

10.3嵌入式文件系统的特点345

10.4文件系统结构346

10.5嵌入式文件系统分类347

10.5.1基于FLASH的文件系统348

10.5.2基于RAM的文件系统352

10.6 YAFFS文件系统分析352

10.6.1 NAND FLASH352

10.6.2 Linux MTD356

10.6.3 YAFFS相关数据结构分析358

10.6.4 YAFFS函数接口364

10.6.5 YAFFS使用的其他技术365

10.6.6 YAFFS文件系统移植366

思考题370

第11章 嵌入式人机界面371

11.1概述371

11.2分类371

11.3字符型人机界面373

11.3.1概述373

11.3.2结构373

11.4图形用户界面373

11.4.1概述373

11.4.2组成375

11.4.3嵌入式图形界面376

11.4.4 GUI产品简介377

11.5 MINIGUI377

11.5.1概述377

11.5.2结构380

11.5.3开发方法381

11.5.4应用383

11.6 Qt384

11.6.1概述384

11.6.2结构385

11.6.3 Qt/Embedded的开发方法386

11.6.4应用391

思考题392

第12章 案例分析393

12.1概述393

12.2 PDA393

12.2.1 PDA概述393

12.2.2 PDA的硬件设计395

12.2.3 PDA的软件设计399

12.3水表智能抄表系统401

12.3.1水表智能抄表系统简介401

12.3.2基于32位机S3C44BOX的抄表手机的设计402

12.4 AT91 EB40A评估开发板403

12.5 S3C2410评估开发板405

12.6信息家电407

12.6.1信息家电概述407

12.6.2信息家电的主要功能和特点408

12.6.3信息家电的分类409

12.6.4信息家电的硬件平台410

12.6.5信息家电的结构411

12.6.6嵌入式Linux在信息家电上的优势411

12.7本章小结413

思考题413

第13章 低功耗系统的设计414

13.1概述414

13.2低功耗的优点414

13.2.1电池驱动的需要414

13.2.2安全的需要415

13.2.3提高电磁兼容性415

13.2.4节能的需要415

13.3降低功耗的措施综述416

13.3.1功耗产生的原因416

13.3.2与系统功耗有关的因素416

13.3.3降低功耗的措施417

13.4元件工艺的低功耗419

13.5硬件系统的低功耗设计422

13.5.1选择低功耗的器件423

13.5.2选用低功耗电路424

13.5.3单电源、低电压供电424

13.5.4分区供电降低功耗425

13.5.5利用I/O引脚为外围器件供电425

13.5.6电源管理单元的设计426

13.5.7采用智能电源426

13.5.8片选信号的处理427

13.5.9有效利用I/O器件的待机模式427

13.5.10降低处理器的时钟频率427

13.5.11动态改变CPU的时钟428

13.5.12降低持续工作电流428

13.6软件系统的低功耗设计428

13.6.1编译低功耗优化技术429

13.6.2硬件软件化429

13.6.3采用事件驱动方式，尽量减少处理器的工作时间429

13.6.4采用快速算法430

13.6.5通信系统中提高通信的波特率430

13.6.6数据采集系统中尽量降低采集速率430

13.6.7延时程序的设计431

13.6.8睡眠模式431

13.6.9静态显示与动态显示431

13.7关于电池供电系统432

13.8本章小结432

思考题433

第14章 电磁兼容性问题434

14.1概述434

14.2电磁兼容的基本概念434

14.3电磁兼容的基本术语434

14.4电磁兼容的基本原理435

14.4.1常见的电磁兼容性问题435

14.4.2电磁环境特性437

14.4.3噪声耦合路径438

14.4.4 PCB走线的天线效应439

14.4.5系统内部电磁干扰产生的原因440

14.5考虑电磁兼容时元件的模型和特性440

14.6提高电磁兼容性的一般措施449

14.6.1时钟源的电源滤波方法449

14.6.2集成电路的辐射考虑451

14.6.3电路的布局与布线451

14.7旁路和去耦452

14.7.1旁路和去耦概述452

14.7.2电源层和接地层的分布电容考虑453

14.7.3并联电容器453

14.7.4去耦电容参数的计算454

14.7.5安装454

14.7.6大电容的使用和选择456

14.7.7组件内电容概述457

14.8信号完整性与串扰457

14.8.1信号完整性要求457

14.8.2反射和衰减振荡458

14.8.3计算电长走线460

14.8.4串扰461

14.9 PCB走线终端463

14.9.1传输线效应464

14.9.2终端匹配方法464

14.10接地470

14.10.1概述470

14.10.2接地模型470

14.10.3接地方法471

14.10.4消除接地环路473

14.10.5消除多点接地系统中的谐振现象475

14.10.6电路子卡与卡架之间的场耦合475

14.10.7 I/O连接器的设计考虑476

14.10.8消除地电位不均匀477

14.11考虑电磁兼容性的其他措施477

14.11.1屏蔽477

14.11.2磁珠的使用478

14.11.3电源低通滤波器478

14.11.4其他EMC器件478

14.12控制噪声的经验小结478

14.12.1控制噪声源478

14.12.2从传输路径方面减小噪声的耦合479

14.12.3在信号接收端减少噪声的接收480

14.13本章小结480

思考题481