嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及應(yīng)用

前言

嵌入式系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用到信息家電、移動(dòng)通信設(shè)備、醫(yī)療儀器和汽車(chē)電子等眾多領(lǐng)域，作為一種新的計(jì)算平臺(tái)，越來(lái)越受到人們的重視。傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)起源于20世紀(jì)70年代初，至今已有很長(zhǎng)時(shí)間了。隨著時(shí)代的進(jìn)步、技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)嵌入式系統(tǒng)的功能要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)方法已不能滿足快速、高效地設(shè)計(jì)復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)的要求。因此，開(kāi)設(shè)嵌入式系統(tǒng)原理及設(shè)計(jì)方法的相關(guān)課程，培養(yǎng)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、通信工程、電子工程等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的本科生及研究生，使其能全面地了解并熟練掌握復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是十分必要的?；?2位嵌入式微處理器的系統(tǒng)，其硬件構(gòu)件較復(fù)雜，用戶應(yīng)用軟件的復(fù)雜度也成倍增長(zhǎng)。因此，要完整地學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)知識(shí)，需要學(xué)習(xí)多門(mén)課程。嵌入式系統(tǒng)涉及的知識(shí)點(diǎn)非常多，因此對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，如何結(jié)合自己的目標(biāo)，找準(zhǔn)學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)知識(shí)的切入點(diǎn)是非常必要的。狹義地說(shuō)，學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)知識(shí)可以從兩個(gè)不同的層面切入：第一層面，針對(duì)將來(lái)只是應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)硬件、軟件平臺(tái)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的學(xué)生而言，應(yīng)側(cè)重學(xué)習(xí)基于某個(gè)嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)（包括硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)）進(jìn)行應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的能力，即主要是學(xué)習(xí)在某個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)（如嵌入式Linux）環(huán)境下應(yīng)用程序的編寫(xiě)、調(diào)試，學(xué)習(xí)其API函數(shù)的使用，學(xué)習(xí)I／O接口部件的驅(qū)動(dòng)程序編寫(xiě)等；第二層面，針對(duì)將來(lái)從事嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)，或者需要結(jié)合應(yīng)用環(huán)境設(shè)計(jì)專(zhuān)用硬件平臺(tái)的學(xué)生而言，需重點(diǎn)學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及接口設(shè)計(jì)原理，即主要學(xué)習(xí)某個(gè)具有代表性的嵌入式CPU（如ARM系列）內(nèi)部寄存器結(jié)構(gòu)、匯編指令系統(tǒng)、中斷（異常）管理機(jī)制及常用的外圍接口，同時(shí)要學(xué)習(xí)無(wú)操作系統(tǒng)下的編程技術(shù)。進(jìn)一步還需要學(xué)習(xí)啟動(dòng)程序的編寫(xiě)和操作系統(tǒng)移植等方面的知識(shí)。

內(nèi)容概要

本書(shū)從嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)及平臺(tái)構(gòu)建角度，全面地介紹嵌入式系統(tǒng)的軟硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)方法。書(shū)中以基于ARM9微處理器核的S3C2410芯片為背景，首先介紹嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)技術(shù)即接口技術(shù)，然后介紹軟件平臺(tái)的構(gòu)建方法以及網(wǎng)絡(luò)接口的設(shè)計(jì)方法，最后從方法學(xué)角度介紹復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。書(shū)中講述具體的嵌入式微處理器的目的是使其原理概念具體化，從而避免抽象、深?yuàn)W。本書(shū)從具體的案例中歸納出了具有普遍指導(dǎo)意義的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理和方法，所討論的原理及概念并不僅僅對(duì)S3C2410微處理器有用，而且適用于多種不同的微處理器。
本書(shū)內(nèi)容豐富，圖文并茂，講解深入淺出,適合作為計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、電子工程、通信工程等專(zhuān)業(yè)的高年級(jí)本科生或碩士研究生相關(guān)課程的教材。

書(shū)籍目錄

第1章 緒論
 1.1 什么叫嵌入式系統(tǒng)
 1.2 嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)
 1.2.1 嵌入式系統(tǒng)的要求
 1.2.2 嵌入式系統(tǒng)的核心
 1.2.3 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)所面臨的問(wèn)題
 1.3 嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程
 1.3.1 需求分析與規(guī)格說(shuō)明
 1.3.2 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
 1.3.3 構(gòu)件設(shè)計(jì)
 1.3.4 系統(tǒng)集成
第2章 嵌入式微處理器體系結(jié)構(gòu)
 2.1 ARM9簡(jiǎn)介
 2.1.1 ARM9的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
 2.1.2 ARM9指令集特點(diǎn)
 2.1.3 ARM9的工作模式
 2.2 ARM9的存儲(chǔ)組織結(jié)構(gòu)
 2.2.1 大端存儲(chǔ)和小端存儲(chǔ)
 2.2.2 I/O接口的訪問(wèn)方式
 2.2.3 內(nèi)部寄存器
 2.3 ARM9的異常
 2.3.1 類(lèi)型及向量地址
 2.3.2 優(yōu)先級(jí)
 2.3.3 進(jìn)入異常和退出異常
 2.4 ARM9匯編指令
 2.4.1 尋址方式
 2.4.2 寄存器裝載及存儲(chǔ)指令
 2.4.3 算術(shù)和邏輯指令
 2.4.4 比較指令
 2.4.5 分支指令
 2.4.6 軟件中斷指令
第3章 嵌入式系統(tǒng)的存儲(chǔ)系統(tǒng)
 3.1 存儲(chǔ)器組織及接口方式
 3.1.1 隨機(jī)存儲(chǔ)器組織
 3.1.2 只讀存儲(chǔ)器組織
 3.2 存儲(chǔ)器接口設(shè)計(jì)
 3.2.1 SRAM的接口設(shè)計(jì)
 3.2.2 DRAM的接口設(shè)計(jì)
 3.2.3 NAND Flash的接口設(shè)計(jì)
 3.3 高速緩存機(jī)制
 3.3.1 高速緩存機(jī)制原理
 3.3.2 數(shù)據(jù)替換策略
 3.3.3 數(shù)據(jù)一致性
 3.3.4 高速緩存性能分析
 3.4 虛擬存儲(chǔ)機(jī)制
 3.4.1 虛擬內(nèi)存技術(shù)原理
 3.4.2 一個(gè)具體實(shí)例
第4章 嵌入式系統(tǒng)的接口設(shè)計(jì)
 4.1 接口控制方式
 4.1.1 程序查詢方式
 4.1.2 中斷方式
 4.1.3 I/O接口的尋址
 4.2 通用并行I/O接口
 4.2.1 GPIO的一般性原理
 4.2.2 一個(gè)具體的GPIO
 4.2.3 GPIO設(shè)計(jì)實(shí)例
 4.3 定時(shí)/計(jì)數(shù)器部件
 4.3.1 定時(shí)/計(jì)數(shù)器的原理
 4.3.2 一個(gè)具體的定時(shí)器
 4.3.3 定時(shí)器的設(shè)計(jì)實(shí)例
 4.3.4 看門(mén)狗電路
 4.4 人機(jī)接口
 4.4.1 鍵盤(pán)接口設(shè)計(jì)
 4.4.2 LED顯示器接口設(shè)計(jì)
 4.4.3 LCD顯示器接口設(shè)計(jì)
第5章 嵌入式系統(tǒng)軟件平臺(tái)
 5.1 嵌入式系統(tǒng)軟件概述
 5.1.1 嵌入式軟件平臺(tái)的發(fā)展
 5.1.2 嵌入式軟件開(kāi)發(fā)特點(diǎn)
 5.1.3 嵌入式Linux
 5.2 嵌入式操作系統(tǒng)移植
 5.2.1 啟動(dòng)引導(dǎo)程序的移植
 5.2.2 Linux內(nèi)核移植
 5.3 文件系統(tǒng)移植
 5.3.1 Linux文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及類(lèi)型
 5.3.2 Linux文件系統(tǒng)的原理
 5.3.3 Linux文件系統(tǒng)的創(chuàng)建
 5.4 設(shè)備驅(qū)動(dòng)
 5.4.1 設(shè)備管理機(jī)制
 5.4.2 設(shè)備驅(qū)動(dòng)原理
 5.4.3 驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)實(shí)例
 5.5 其他嵌入式操作系統(tǒng)
 5.5.1 μC/OS-II
 5.5.2 VxWorks
第6章 嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
 6.1 分布式嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
 6.1.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
 6.1.2 通信方式
 6.2 常規(guī)嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)
 6.2.1 異步串行通信網(wǎng)絡(luò)
 6.2.2 I2C總線
 6.2.3 CAN總線
 6.3 USB網(wǎng)絡(luò)
 6.3.1 USB的概念及特點(diǎn)
 6.3.2 USB總線體系結(jié)構(gòu)
 6.3.3 USB主機(jī)
 6.3.4 USB設(shè)備
 6.3.5 實(shí)例--S3C2410的USB接口部件
 6.4 嵌入式TCP/IP網(wǎng)絡(luò)
 6.4.1 嵌入式TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)
 6.4.2 以太網(wǎng)及TCP/IP協(xié)議
 6.4.3 嵌入式TCP/IP實(shí)現(xiàn)
 6.5 基于網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的性能分析
 6.5.1 通信分析
 6.5.2 系統(tǒng)性能分析
 6.5.3 網(wǎng)絡(luò)分配和調(diào)度
第7章 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析
 7.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的形式化方法
 7.1.1 統(tǒng)一建模語(yǔ)言
 7.1.2 結(jié)構(gòu)描述
 7.1.3 行為描述
 7.2 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)范型
 7.2.1 狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)范型
 7.2.2 循環(huán)隊(duì)列設(shè)計(jì)范型
 7.3 編程模型
 7.3.1 數(shù)據(jù)流圖
 7.3.2 控制/數(shù)據(jù)流圖
 7.4 程序執(zhí)行時(shí)間的分析與優(yōu)化
 7.4.1 執(zhí)行時(shí)間的描述
 7.4.2 性能分析
 7.4.3 優(yōu)化執(zhí)行速度
 7.5 能量和功率的分析與優(yōu)化
 7.5.1 程序功耗分析
 7.5.2 功耗優(yōu)化
 7.6 程序長(zhǎng)度的分析與優(yōu)化
 7.6.1 數(shù)據(jù)的影響
 7.6.2 代碼的影響
第8章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例
 8.1 實(shí)例一： 數(shù)字式時(shí)鐘
 8.1.1 系統(tǒng)需求
 8.1.2 規(guī)格說(shuō)明
 8.1.3 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
 8.1.4 構(gòu)件設(shè)計(jì)與測(cè)試
 8.2 實(shí)例二： 醫(yī)用心電儀
 8.2.1 系統(tǒng)需求
 8.2.2 需求分析
 8.2.3 靜態(tài)結(jié)構(gòu)模型
 8.2.4 動(dòng)態(tài)行為模型
 8.2.5 物理模型
 8.2.6 小結(jié)
 8.3 實(shí)例三： 嵌入式Web服務(wù)器
 8.3.1 嵌入式Web服務(wù)器結(jié)構(gòu)
 8.3.2 嵌入式Web服務(wù)器的設(shè)計(jì)
 8.3.3 基于嵌入式Web的應(yīng)用結(jié)構(gòu)
 8.3.4 基于嵌入式Web的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)
 8.3.5 小結(jié)
附錄A UML元素、關(guān)系、符號(hào)
參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：因此，可以說(shuō)數(shù)字系統(tǒng)中不使用微處理器是沒(méi)有多少優(yōu)勢(shì)的，微處理器的優(yōu)點(diǎn)使它在許多數(shù)字系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)成為首選。微處理器的可編程能力在嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中是最寶貴的，它使程序設(shè)計(jì)可以與硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分開(kāi)進(jìn)行，當(dāng)一組人員在設(shè)計(jì)包含微處理器、存儲(chǔ)器和輸入輸出設(shè)備等的電路板時(shí)，另一組人員可以同時(shí)編寫(xiě)程序。同樣重要的是，可編程能力使廠商可以很容易地使自己的產(chǎn)品系列化，在許多情況下，高端產(chǎn)品設(shè)計(jì)可以在不改變?cè)瓉?lái)硬件的情況下，僅僅通過(guò)升級(jí)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣可以降低生產(chǎn)成本。即使當(dāng)硬件必須重新設(shè)計(jì)時(shí)，原有的一些軟件也可重用，從而大大節(jié)約了時(shí)間和開(kāi)銷(xiāo)。1.2.3 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)所面臨的問(wèn)題外部約束是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)遇到困難的一個(gè)重要來(lái)源。下面列出了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中所面臨的一些主要問(wèn)題：（1）需要多少硬件。在設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)時(shí)不僅需要考慮選擇何種CPU，同樣需要考慮存儲(chǔ)器容量I／O設(shè)備及其他外圍電路。在滿足系統(tǒng)性能要求的前提下，滿足系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性要求。即系統(tǒng)硬件太少，將不能達(dá)到性能要求；系統(tǒng)硬件太多，又會(huì)使產(chǎn)品變得過(guò)于昂貴，并降低了可靠性。（2）如何滿足實(shí)時(shí)性。用提高CPU速度的方法使程序運(yùn)行的速度加快從而解決實(shí)時(shí)性問(wèn)題的方法是不可取的，因?yàn)檫@會(huì)使系統(tǒng)的價(jià)格上升；同時(shí)，僅僅提高CPU的時(shí)鐘頻率有時(shí)并不能提高程序執(zhí)行速度，因?yàn)槌绦驁?zhí)行速度還會(huì)受存儲(chǔ)器速度的限制。因此，應(yīng)精確設(shè)計(jì)程序以滿足實(shí)時(shí)性要求。（3）如何減少系統(tǒng)的功耗。對(duì)于電池供電的嵌入式系統(tǒng)而言，功耗是一個(gè)十分重要的問(wèn)題。對(duì)于非電池供電的嵌入式系統(tǒng)而言，高功耗會(huì)帶來(lái)高散熱量。降低嵌入式系統(tǒng)功耗的一種方法就是降低它的運(yùn)算速度。但是單純地降低運(yùn)算速度會(huì)導(dǎo)致實(shí)時(shí)性能不能滿足，應(yīng)認(rèn)真設(shè)計(jì)，以便通過(guò)降低系統(tǒng)非關(guān)鍵部分的速度來(lái)降低系統(tǒng)功耗，而同時(shí)又能滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。（4）如何保證系統(tǒng)可升級(jí)。系統(tǒng)的硬件平臺(tái)可能使用幾代，或者使用在同一代的不同級(jí)別的產(chǎn)品中，而這些僅僅只應(yīng)做一些簡(jiǎn)單的改變。因此，希望通過(guò)修改軟件來(lái)改變系統(tǒng)的功能。如何才能設(shè)計(jì)一種硬件平臺(tái)，使它能夠提供未來(lái)程序需要的功能呢？（5）系統(tǒng)調(diào)試復(fù)雜。調(diào)試嵌人式系統(tǒng)比調(diào)試通用臺(tái)式計(jì)算機(jī)上的程序困難得多。通常需要運(yùn)行整臺(tái)設(shè)備以產(chǎn)生測(cè)試數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)產(chǎn)生的時(shí)間往往也是非常重要的。也就是說(shuō)，不能離開(kāi)嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行的整個(gè)環(huán)境來(lái)測(cè)試嵌人式系統(tǒng)。另外，嵌入式系統(tǒng)有時(shí)沒(méi)有配備鍵盤(pán)和顯示器，這導(dǎo)致不能了解系統(tǒng)的運(yùn)行情況，也不能影響系統(tǒng)的運(yùn)行，從而導(dǎo)致測(cè)試嵌入式系統(tǒng)的困難。

編輯推薦

《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及應(yīng)用(第2版)》全面系統(tǒng)地介紹了嵌入式系統(tǒng)硬、軟件平臺(tái)構(gòu)建原理及技術(shù)。采用了自底向上的描述手段，先后介紹了硬件平臺(tái)構(gòu)建技術(shù)、軟件平臺(tái)構(gòu)建技術(shù)、嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù).以及嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法學(xué)。采用了原理描述加設(shè)計(jì)實(shí)例的方法，以S3C2410嵌入式微處理器芯片為背景.這樣做將使得原理概念具體化，而不至于抽象.深?yuàn)W?！肚度胧较到y(tǒng)設(shè)計(jì)原理及應(yīng)用(第2版)》適合作為計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、電子工程、通信工程等專(zhuān)業(yè)的高年級(jí)本科生或低年級(jí)研究生嵌入式原理相關(guān)課程的教材。

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