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第1章 嵌入式系统概述 1

1.1 嵌入式系统的定义 1

1.2 嵌入式系统的组成 2

1.3 嵌入式系统的硬件和软件特征 4

1.3.1 嵌入式系统硬件特征 4

1.3.2 嵌入式系统软件特征 5

1.4 嵌入式系统的分类 6

1.5 嵌入式系统的设计流程 7

1.6 嵌入式系统的应用领域 9

1.7 嵌入式系统的发展趋势 11

第2章 嵌入式系统的硬件构成 15

2.1 概述 15

2.2 嵌入式微控制器 16

2.3 嵌入式DSP处理器 16

2.4 嵌入式微处理器 17

2.4.1 RISC架构和CISC架构 18

2.4.2 ARM RISC架构的微处理器 19

2.4.3 ARM RISC架构的微处理器系列 23

2.4.4 MIPS RISC架构的微处理器 27

2.4.5 PowerPC RISC架构的微处理器 27

2.4.6 其他嵌入式微处理器 28

2.4.7 多核处理器 30

2.4.8 嵌入式处理器的选择 31

2.5 片上系统SOC 33

2.6 存储器 35

2.6.1 易失性存储器 35

2.6.2 非易失性存储器 36

2.6.3 存储卡 41

2.6.4 硬盘存储器 45

2.7 输入/输出设备 48

2.8 接口技术 48

2.8.1 并口 49

2.8.2 串口 49

2.8.3 红外线接口 51

2.8.4 USB 52

2.8.5 IEEE1394 53

2.9 总线 54

2.9.1 ISA 54

2.9.2 PCI 55

2.9.3 PC104总线 56

第3章 ARM微处理器的编程模型与指令集 57

3.1 ARM微处理器的工作状态 57

3.2 ARM体系结构的存储器格式 57

3.3 指令长度及数据类型 58

3.4 处理器模式 59

3.5 寄存器组织 59

3.5.1 ARM状态下的寄存器组织 60

3.5.2 Thumb状态下的寄存器组织 63

3.5.3 程序状态寄存器 64

3.6 异常 67

3.6.1 ARM体系结构所支持的异常类型 67

3.6.2 异常优先级 68

3.6.3 异常向量 68

3.6.4 对异常的响应 68

3.6.5 从异常返回 69

3.6.6 各类异常的具体描述 70

3.6.7 应用程序中的异常处理 72

3.7 ARM微处理器的寻址方式 73

3.8 ARM微处理器的指令集 76

3.8.1 指令分类 76

3.8.2 指令格式 77

3.8.3 指令的条件码 79

3.8.4 ARM指令集详细描述 80

3.8.5 Thumb指令及应用 96

第4章 ARM汇编语言程序设计 98

4.1 伪指令 98

4.1.1 符号定义伪指令 98

4.1.2 数据定义伪指令 101

4.1.3 汇编控制伪指令 106

4.1.4 汇编报告伪指令 108

4.1.5 其他伪指令 110

4.1.6 ARM伪指令 116

4.1.7 Thumb伪指令 117

4.2 ARM汇编语言程序设计 117

4.2.1 汇编语言文件格式和语句格式 117

4.2.2 汇编语言常用符号 118

4.2.3 汇编语言的表达式和运算符 121

4.2.4 汇编语言的段定义和宏定义 124

4.2.5 汇编语言程序设计示例 126

4.3 汇编编译器armasm 129

4.4 汇编语言与C/C＋＋的混合编程 132

4.4.1 内嵌汇编器 132

4.4.2 内嵌的汇编器和armasm的区别 134

4.4.3 在C/C＋＋程序中使用内嵌的汇编指令 135

4.4.4 从汇编程序中访问C程序变量 137

4.4.5 汇编程序、C程序以及C＋＋程序的相互调用 138

第5章 ARM硬件系统的设计实现 146

5.1 S3C44B0X系统设计概述 146

5.2 S3C44B0X概述 147

5.2.1 S3C44B0X的引脚分布及信号描述 147

5.2.2 S3C44B0X的特殊功能寄存器 152

5.3 系统的硬件选型与单元电路设计 159

5.3.1 电源电路 159

5.3.2 晶振电路与复位电路 159

5.3.3 Flash存储器接口电路 161

5.3.4 SDRAM接口电路 164

5.3.5 串行接口电路 167

5.3.6 矩阵键盘 169

5.3.7 I2S音频接口 170

5.3.8 DAC接口 170

5.3.9 I2C接口 171

5.3.10 JTAG接口电路 172

5.3.11 I0M以太网接口电路 173

5.3.12 USB接口 174

5.3.13 通用I/O接口电路 175

5.3.14 外部中断 176

5.3.15 步进电机 176

5.3.16 LCD 176

5.3.17 CAN总线 177

5.3.18 触摸屏 177

第6章 嵌入式系统的多媒体处理 178

6.1 数字音频技术 178

6.1.1 采样频率和采样精度 178

6.1.2 音频ADC和DAC 178

6.1.3 音频接口 180

6.1.4 音频信号处理技术 181

6.1.5 数字音频编码 183

6.1.6 多媒体播放处理器 186

6.2 数字视频技术 186

6.2.1 视频的系统级描述 186

6.2.2 视频源 188

6.2.3 图像传感器的连接 188

6.2.4 图像通道 189

6.2.5 机械反馈控制 189

6.2.6 图像处理 190

6.2.7 数字视频显示 191

6.2.8 数字视频编码 193

6.2.9 数字视频开发平台 194

6.3 触摸屏技术 195

6.4 手写识别技术 197

6.5 语音识别技术 198

6.6 指纹识别技术 200

第7章 嵌入式网络与协议栈 203

7.1 概述 203

7.2 嵌入式系统的分布式应用 204

7.2.1 分布式系统的定义 204

7.2.2 分布式系统与单处理器系统的比较 204

7.2.3 分布式嵌入式系统的结构 205

7.2.4 网络抽象模型 206

7.3 分布式工业控制总线网络 208

7.3.1 I2C总线 208

7.3.2 CAN总线 209

7.3.3 FF总线 209

7.4 嵌入式系统网络构建 212

7.4.1 选择协议栈 212

7.4.2 选择网络技术 212

7.4.3 选择现成的实现方案 213

7.4.4 使用标准的应用协议 213

7.4.5 确定网络体系结构 214

7.5 嵌入式系统Internet接入技术 215

7.5.1 嵌入式Internet技术 215

7.5.2 嵌入式系统的Internet网络化 216

7.5.3 嵌入式TCP/IP协议 216

7.6 嵌入式系统的无线接入技术 219

7.6.1 无线局域网 219

7.6.2 IEEE802.11 220

7.6.3 蓝牙技术 224

7.6.4 无线局域网技术比较 227

7.7 无线传感器网络技术 228

7.7.1 无线传感器网络的应用范围 228

7.7.2 无线传感器网络体系结构 229

7.7.3 无线传感器网络协议栈 231

7.7.4 基于超宽带冲激无线电技术的无线传感器网络 233

7.7.5 超宽带无线传感器网络的发展趋势 234

第8章 嵌入式系统软件设计 236

8.1 嵌入式软件体系结构 236

8.1.1 概述. 236

8.1.2 嵌入式软件的分类 237

8.1.3 无操作系统的嵌入式软件体系结构 239

8.1.4 有操作系统的嵌入式软件体系结构 241

8.1.5 嵌入式软件体系结构的选择 242

8.2 嵌入式软件设计方法 242

8.2.1 瀑布模式开发过程 243

8.2.2 V模式开发过程 244

8.2.3 基于硬件抽象层的系统软件设计方法 245

8.2.4 增加操作系统抽象层的系统软件设计方法 247

8.3 板级支持包技术 249

8.3.1 板级支持包的特点 249

8.3.2 BSP的作用与功能 250

8.3.3 常见的BSP实现方式和开发方法 251

8.3.4 主流嵌入式操作系统及其BSP技术 253

8.3.5 嵌入式系统的硬件初始化 257

8.3.6 BSP与PC中BIOS硬件初始化的比较 258

8.4 嵌入式系统的引导技术 259

8.4.1 Boot Loader简介 259

8.4.2 嵌入式Linux的Boot Loader设计思想 261

8.5 嵌入式系统的设备驱动程序 263

8.6 嵌入式系统的高级编程语言 264

8.7 面向对象的嵌入式技术 265

8.8 嵌入式数据库技术 266

第9章 操作系统基础 269

9.1 操作系统的功能 269

9.2 操作系统的发展史 270

9.3 内存管理 271

9.3.1 内存管理功能 271

9.3.2 内存分割 271

9.3.3 虚拟内存 273

9.4 进程与中断管理 275

9.4.1 进程描述与控制 275

9.4.2 并发控制：互斥与同步 280

9.4.3 并发控制：死锁处理 286

9.4.4 中断及中断处理 288

9.5 调度机制 290

9.5.1 调度类型 290

9.5.2 实时调度 292

9.6 I/O设备 294

9.6.1 I/O设备描述参数 295

9.6.2 I/O技术的演变 295

9.6.3 I/O设备逻辑描述 296

9.6.4 I/O缓冲技术 296

9.7 文件管理 297

第10章 嵌入式操作系统 299

10.1 嵌入式操作系统概述 299

10.1.1 嵌入式操作系统的组成 299

10.1.2 嵌入式操作系统的特点 300

10.1.3 嵌入式操作系统的分类 301

10.1.4 嵌入式实时操作系统 301

10.2 嵌入式操作系统μC/OS-Ⅱ 304

10.2.1 μC/OS-Ⅱ的内核结构 305

10.2.2 μC/OS-Ⅱ的临界区 305

10.2.3 μC/OS-Ⅱ的任务管理 305

10.2.4 μC/OS-Ⅱ的时钟节拍 309

10.2.5 μC/OS-Ⅱ的时间管理 309

10.2.6 μC/OS-Ⅱ的内存管理 310

10.2.7 μC/OS-Ⅱ的初始化与启动 310

10.2.8 μC/OS-Ⅱ的移植条件 310

10.3 嵌入式操作系统Windows CE 312

10.3.1 Windows CE发展简史 312

10.3.2 Windows CE的功能 313

10.3.3 Windows CE的应用领域 314

10.3.4 Windows CE的系统结构 315

10.3.5 Windows CE操作系统的核心特性 315

10.3.6 应用系统基础设施 317

10.3.7 嵌入式系统支持 318

10.4 嵌入式Linux系统 319

10.4.1 嵌入式Linux系统的特点 319

10.4.2 嵌入式Linux的发展 320

10.4.3 嵌入式Linux开发流程 321

10.4.4 嵌入式Linux内核设计 323

10.4.5 嵌入式Linux文件系统设计 332

10.4.6 Linux设备驱动 339

10.5 其他嵌入式操作系统 342

10.6 嵌入式操作系统的发展趋势 346

第11章 嵌入式图形用户界面设计 348

11.1 人机交互界面设计概述 348

11.1.1 人机交互技术的内涵 348

11.1.2 用户界面的设计原则 349

11.1.3 用户界面的设计步骤 350

11.1.4 用户界面的评价 350

11.2 图形用户界面概述 350

11.2.1 图形用户界面的基本特征 351

11.2.2 图形用户界面的结构模型 352

11.2.3 图形用户界面的实现 352

11.3 图形用户界面与嵌入式系统 354

11.3.1 嵌入式图形用户界面的特点 354

11.3.2 嵌入式图形用户界面的开发方案 354

11.3.3 嵌入式图形用户界面的体系结构 355

11.4 嵌入式图形用户界面的主要技术分析 357

11.4.1 消息机制和事件驱动 357

11.4.2 屏幕管理技术 359

11.5 几种嵌入式GUI简介 361

第12章 嵌入式系统开发环境和调试方法 365

12.1 嵌入式系统软硬件协同设计流程 365

12.2 交叉编译技术 366

12.2.1 交叉编译的基本原理 366

12.2.2 GCC交叉编译器编译流程 368

12.2.3 Linux环境下的GCC交叉编译器 372

12.2.4 交叉编译工具链准备 373

12.3 嵌入式系统调试方法 374

12.3.1 Host-Target开发调试模式 374

12.3.2 嵌入式系统常用的调试跟踪技术 374

12.3.3 嵌入式系统多核调试技术 377

12.4 嵌入式Linux的开发和调试方法 380

12.4.1 Linux内核的调试 381

12.4.2 Linux应用程序的调试 383

12.5 WindowsCE的开发工具 383

第13章 嵌入式系统的低功耗设计 386

13.1 概述 386

13.1.1 CMOS电路功耗的特点 386

13.1.2 CMOS集成电路的功耗组成 387

13.2 基于硬件的低功耗设计 389

13.2.1 处理器的选择 389

13.2.2 总线低功耗设计 390

13.2.3 接口驱动电路的低功耗设计 390

13.2.4 选取低功耗的电路形式 391

13.2.5 单电源和低电压供电 391

13.2.6 分区/分时供电技术 391

13.2.7 1/O引脚供电 392

13.3 电源的低功耗设计 392

13.3.1 电源管理技术 392

13.3.2 常用节电方法 396

13.3.3 智能电池技术 397

13.4 基于软件的低功耗设计 400

13.4.1 嵌入式软件功耗估计的方法 401

13.4.2 软件低功耗设计的措施 402

第14章 嵌入式系统的可靠性设计 404

14.1 概述 404

14.2 可靠性涉及的性能指标 405

14.3 嵌入式系统可靠性设计方法 407

14.3.1 嵌入式系统硬件可靠性设计 408

14.3.2 常用元器件的可靠性分析 410

14.3.3 提高嵌入式系统可靠性的具体措施 410

14.4 嵌入式软件的可靠性设计 412

14.4.1 软件可靠性与硬件可靠性的区别 412

14.4.2 影响软件可靠性的因素 413

14.4.3 提高软件可靠性的方法和技术 413

14.4.4 软件产品的可靠性评估 415

14.4.5 嵌入式软件的可靠性设计 417

14.5 可靠性的管理 419

第15章 嵌入式系统的电磁兼容性设计 421

15.1 电磁兼容的基本原理 421

15.1.1 电磁兼容的定义 421

15.1.2 电磁兼容的常用术语 421

15.1.3 常见的电磁兼容性问题 422

15.1.4 电磁环境特性 423

15.1.5 电磁耦合的途径 424

15.2 提高电磁兼容性的措施 425

15.2.1 消除地电位不均匀 425

15.2.2 接地散热器的处理 425

15.2.3 时钟源的电源滤波方法 426

15.2.4 集成电路的辐射考虑 427

15.2.5 旁路和去耦 427

15.3 信号完整性与串扰 428

15.3.1 信号完整性要求 428

15.3.2 反射和衰减振荡 429

15.3.3 计算电长走线 430

15.3.4 串扰 431

15.4 基于电磁兼容技术的多层PCB布线设计 431

15.4.1 20-H法则和3-W法则 431

15.4.2 PCB的合理分层和布局原则 432

15.5 接地 434

15.5.1 接地种类 435

15.5.2 接地方式 436

15.5.3 接地电阻 438

15.5.4 接地布局 438

15.6 电磁兼容性的其他措施 438

参考文献 440