嵌入式系统原理与设计

章节摘录

插图：当今，嵌入式处理器的发展迅速，处理速度也不断提升。用户对嵌入式系统的需求也越来越高，简单的无操作系统的设计方法已经远远不能满足这些要求。因此，嵌入式操作系统已经成为当今嵌入式软件开发的主要内容。本章，我们从最基本的嵌入式操作系统的概念讲起，详细讲解嵌入式操作系统的内部机理。通过阅读本章，读者可以对操作系统原理以及基于操作系统的开发有一个全面的了解。8.1 概述8.1.1 基本概念由于硬件的限制，在使用微控制器设计嵌入式系统的初期，嵌入式系统设计师得到的只有系统的“裸机”，没有任何类似操作系统的软件作为开发平台，对CPU、RAM等这些硬件资源的管理工作都必须由程序员自己编写程序来解决，程序设计人员十分辛苦，并且使应用程序的开发效率极低，所以当时从事嵌入式开发的人员就期望有一个嵌入式系统开发的系统软件。现在，由于技术的进步和发展，单片系统硬件的规模越来越大，功能越来越强，从而给运行嵌入式操作系统提供了硬件保障，于是就出现了很多具有不同特点及应用领域的操作系统。这些支持嵌入式系统应用的操作系统软件，具有通用操作系统的基本特点，但也有自己的特点。由于嵌入式系统的硬件具有特殊性，应用环境复杂且开发手段特殊，使嵌入式操作系统与普通的操作系统有着很大的不同。

前言

嵌入式技术是在自动化和计算机技术基础上发展而来，是计算机发展的一个分支。嵌入式系统的应用无处不在，尤其体现于信息家电、汽车电子、消费类电子、航空航天等应用领域。 伴随着嵌入式技术的发展，国内外各高校陆续开设了“嵌入式系统原理与设计”的相关课程，介绍微控制器与微处理器的结构、原理及应用。然而，现有嵌入式教材，有的偏重于结构、原理的阐述，比较抽象，学生难于掌握和应用；有的侧重阐述某一个具体的微控制器或微处理器应用方法，缺少嵌入式系统的一般知识与原理，读者难以举一反三。据此，编者精心组织编写了本书，以利于教学和应用。 内容安排上，全书共分12章，分别介绍了嵌入式系统的基本概念、嵌入式系统的整体设计方法、嵌入式系统的组成结构、嵌入式系统的硬件设计和嵌入式系统的软件设计等。在嵌入式系统硬件设计部分，重点阐述了硬件的整体设计、存储设备、接口和I/O设备等。在嵌入式系统软件设计部分，重点阐述了嵌入式操作系统的软件设计、中断和异常的处理、定时服务、软件设计中的普遍问题等。 叙述方法上，各章首先介绍了相应知识模块的基本原理，然后通过实例设计来阐述相应的实践应用，这种叙述方法最大限度地使读者易于掌握嵌入式原理及其应用。此外，本书的案例均是作者多年科研实践的项目总结，具有很强的工程实用性。 本书的读者对象为高年级本科生、研究生和从事嵌入式系统开发设计的工程技术人员。 本书由多位教师合力完成，吴国伟撰写了第1、2、8、9章，徐子川撰写了第3、4、10、11章，姚琳撰写了第5、6、7、12章；郭禾教授对全书进行了审读。

书籍目录

前言第1章 嵌入式系统简介1.1 嵌入式系统的基本概念1.1.1 现代计算机发展的历史1.1.2 嵌入式系统的定义和特点1.1.3 嵌入式系统的独立发展1.2 嵌入式系统的架构1.3 嵌入式处理器1.3.1 嵌入式处理器分类1.3.2 典型嵌入式处理器介绍1.3.3 嵌入式处理器选型原则1.4 嵌入式操作系统1.4.1 概述1.4.2 典型的嵌入式操作系统1.5 嵌入式系统的开发方法1.6 嵌入式系统的现状和发展趋势思考题第2章 嵌入式系统设计2.1 统一建模语言UML2.1.1 UML概述2.1.2 UML的发展历史2.1.3 UML基本元素2.2 需求2.2.1 需求信息的获取2.2.2 需求定义2.3 规格说明2.4 体系结构设计2.5 设计硬件构件和软件构件思考题第3章 嵌入式系统的硬件设计——电路3.1 嵌入式硬件基础3.1.1 电路原理图阅读与绘制3.1.2 印制电路板的基础知识3.2 电路设计示例：复位电路设计3.2.1 基本复位电路3.2.2 复位电路设计的注意点3.2.3 复位芯片的选择3.2.4 复位电路的调试思考题第4章 嵌入式系统的硬件设计——存储设备4.1 存储设备概述4.1.1 存储器的基本概念4.1.2 存储器的作用4.1.3 存储设备的分类4.1.4 存储器系统层次结构4.1.5 存储器的性能指标4.1.6 存储器的基本构成4.2 常用存储器4.2.1 IC卡4.2.2 CF卡4.2.3 MMC卡4.2.4 SD卡4.2.5 TF卡4.2.6 工业电子盘4.2.7 U盘4.3 存储器件的选择思考题第5章 嵌入式系统的硬件设计——接口及I/O设备5.1 接口5.1.1 概述5.1.2 常用接口5.2 定时器和计数器5.3 A/D和D/A转换器5.3.1 概述5.3.2 A/D和D/A转换原理5.4 键盘5.4.1 概述5.4.2 键盘原理5.5 显示器5.5.1 CRT显示器5.5.2 液晶显示器5.5.3 发光二极管显示器5.5.4 等离子显示器5.5.5 显示器的驱动方式5.5.6 设计实例：大屏幕LED显示屏的设计5.6 触摸屏5.6.1 概述5.6.2 触摸屏分类5.7 I/O性能思考题第6章 嵌入式系统的软件设计——结构与方法6.1 嵌入式系统的软件结构6.1.1 概述6.1.2 板级支持包BSP6.1.3 轮转结构6.1.4 带有中断的轮转结构6.1.5 实时操作系统结构6.1.6 嵌入式软件结构的选择6.2 软件开发工具6.2.1 宿主机与目标机6.2.2 嵌入式系统的定位器6.2.3 调试技术6.3 软件的设计方法6.3.1 无嵌入式操作系统6.3.2 有嵌入式操作系统思考题第7章 嵌入式系统的软件设计——设计范型与编程7.1 嵌入式系统软件的范型7.1.1 范型7.1.2 两种范型7.2 编程模型7.2.1 数据流图7.2.2 控制/数据流图7.3 程序设计语言及基本编译技术7.3.1 语句翻译7.3.2 过程7.3.3 数据结构7.3.4 表达式简化7.3.5 死代码清除7.3.6 过程内嵌7.3.7 循环变换7.3.8 寄存器分配7.3.9 指令选择7.3.1 0理解并使用编译程序7.3.1 1解释程序与适时编译程序7.4 程序的质量保证和测试思考题第8章 嵌入式系统软件设计——嵌入式操作系统8.1 概述8.1.1 基本概念8.1.2 内核8.1.3 可裁剪性8.2 嵌入式操作系统的服务8.2.1 消息队列、信箱和管道8.2.2 定时器服务8.2.3 事件8.2.4 存储管理8.2.5 中断服务8.3 嵌入式操作系统的开发8.3.1 多进程多线程设计8.3.2 进程间通信8.3.3 进程的功率优化策略8.4 调度器8.4.1 可调度实体8.4.2 多任务8.4.3 上下文切换8.4.4 调度算法8.4.5 μC/OSII任务调度8.4.6 Linux任务调度8.5 性能问题8.6 设计实例：嵌入式Linux中的进程管理8.7 完全公平调度算法8.7.1 概述8.7.2 CFS原理8.8 Linux在嵌入式系统中实时调度算法改进8.8.1 概述8.8.2 Linux实时性改造8.8.3 RTLinux和RTAI思考题第9章 嵌入式系统软件设计——异常和中断9.1 异常和中断的基本概念9.2 异常的分类和优先级9.2.1 异常的分类9.2.2 异常和中断的优先权9.3 可编程中断控制器9.4 异常和中断的处理9.4.1 异常和中断处理程序的安装9.4.2 保存处理器状态9.4.3 装入和调用异常处理程序9.5 ARM异常中断机制9.5.1 概述9.5.2 ARM的异常中断响应过程9.5.3 ARM异常中断优先级9.5.4 中断控制寄存器9.6 嵌入式操作系统对中断的支持9.6.1 嵌入式Linux对异常和中断的处理9.6.2 μC/OSII异常和中断的处理9.6.3 WinCE异常和中断的处理9.7 中断编程实例9.7.1 中断编程模式9.7.2 中断编程过程思考题第10章 定时器和定时器服务10.1 实时时钟和系统时钟10.2 可编程间隔定时器10.3 定时器中断服务例程10.4 软定时器操作和相关问题处理10.5 设计实例：S3C2410的可编程间隔定时器应用10.5.1 实时时钟部件10.5.2 Timer部件10.5.3 看门狗定时器思考题第11章 嵌入式实时系统的内存管理11.1 概述11.1.1 嵌入式实时系统内存管理的特点11.1.2 嵌入式实时系统对内存管理的要求11.1.3 内存分配方案11.1.4 实时系统的内存模式11.1.5 内存碎片11.2 常用内存分配算法11.2.1 最先匹配算法11.2.2 伙伴算法11.3 典型嵌入式实时操作系统中内存管理11.3.1 μC/OSII的内存管理11.3.2 VxWorks的内存管理11.3.3 WinCE的内存管理思考题第12章 嵌入式软件设计中的几个问题12.1 同步与通信12.1.1 资源同步12.1.2 评估关键段12.1.3 解决方案12.1.4 应用实例：Linux信号量接口的应用12.2 死锁及其处理12.2.1 死锁检测12.2.2 死锁恢复12.2.3 死锁避免和死锁预防12.2.4 应用实例：银行家算法12.3 优先级倒置12.3.1 资源共享引发的问题12.3.2 优先级倒置技术12.3.3 两种优先级倒置方案12.4 堆栈溢出思考题参考文献

编辑推荐

《嵌入式系统原理与设计》：教育部-英特尔精品课程，“教育部高等学校特色专业建设点”资助项目(TS2120)《嵌入式系统原理与设计》系统论述嵌入式系统设计、嵌入式硬件设计方法（存储设备、I／O接口等）、嵌入式操作系统和嵌入式软件设计方法（软件结构、设计范型、异常和中断处理、内存管理等）、嵌入式软硬件设计应用中的普遍问题和解决方法，并将工程实践中得到的经验以案例形式介绍给读者，全书凝聚了作者多年的嵌入式系统教学和科研的经验、案例与思想。《嵌入式系统原理与设计》特色：知识的系统性和先进性，系统和全面介绍了嵌入式设计的原理，并融合了嵌入式系统技术的最新发展和成果的介绍。理论和实践联系紧密，以实际应用案例来阐述相关理论知识模块，原理知识指导解决设计实践中的问题；并总结了嵌入式设计中普遍存在的典型问题及解决方法。《嵌入式系统原理与设计》是大连理工大学校级精品课指定教材。主要涵盖内容：嵌入式系统的硬件设计－电路嵌入式系统的硬件设计－存储设备嵌入式系统的硬件设计－接口及I／O设备嵌入式系统的软件设计－结构与方法嵌入式系统的软件设计－设计范型与编程嵌入式系统的软件设计－嵌入式操作系统嵌入式系统的软件设计－异常与中断定时器和定时器服务嵌入式设计中的典型问题及解决方法

作者简介

《嵌入式系统原理与设计》深入而全面地论述了嵌入式系统的开发与设计方法。主要内容包括：嵌入式系统设计流程、硬件设计（基础电路、存储设备、接口及I/O设备）、软件设计（结构与方法、异常和中断）、定时器和定时器服务、内存管理、软件设计的常见问题等。

《嵌入式系统原理与设计》重点突出，层次分明，注重知识的系统性和先进性；注重理论与实践的联系，以实例应用来阐述相关知识模块，有利于培养工程应用能力。另外，《嵌入式系统原理与设计》还配有完整的电子课件，便于教学。

《嵌入式系统原理与设计》可作为普通高等院校电子信息工程、通信工程、软件工程、电气工程、自动化等专业的高年级本科生与研究生教材，也可作为相关工程技术人员的参考用书。

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