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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ICE 12

1.7.4 BDM 16

1.7.5 JTAG 19

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RAM 119

4.6.1静态RAM 119

4.6.2动态RAM 122

4.6.3双端口RAM 127

4.6.4如何选择RAM 135

4.7只读存储器ROM 136

4.7.1 EPROM 136

4.7.2 EEPROM 139

4.7.3 FLASH 141

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 UART 182

5.8.1串行接收机RxMachine 182

5.8.2串行发送机TxMachine 183

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 Plus 228

7.7.2 VxWorks 230

7.7.3μC/OS- 231

7.7.4嵌入式Linux 232

7.7.5 QNX 233

7.7.6 ThreadX 234

7.7.7 WindowsCE 235

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 Net 290

8.3.6 Device Net 290

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INTERNET 294

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/IP 301

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UART 335

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 FLASH 352

10.6.2 Linux MTD 356

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 MINIGUI 377

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 Qt 384

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 PDA 393

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