嵌入式系统原理与实践
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天津武清
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作者沈建华、王慈
出版社清华大学出版社
ISBN9787302510246
出版时间2018-09
装帧平装
开本16开
定价69.8元
货号25575375
上书时间2024-12-20
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前言
目前很多高校都开设了嵌入式系统课程，有的学校还有嵌入式系统专业，关于嵌入式系统教学内容的讨论也随之而来。其实，嵌入式系统这个概念很大，计算机技术和计算机应用技术的每个方面，几乎都可以找到与嵌入式系统有关联的内容，如微处理器架构、硬件系统设计、软件设计与优化、算法与控制、接口与通信、操作系统、数字信号处理、单片机应用等。所以，完整的嵌入式系统教学内容，应该是一个课程体系、包括一系列的课程。对于一般学校的一门“嵌入式系统”类课程，则不必拘泥（或统一）于某一特定的内容，完全可以根据各自学校、专业的特点和培养方案，选定教学内容。为此，我们也查阅了美国一些高校（如哥伦比亚大学、德克萨斯大学、密西根大学、伯克利大学、华盛顿大学等）的嵌入式系统课程教学内容，发现各高校相似名称的课程，教学内容也相差很大，有的偏重于系统建模、有的偏重于系统控制、有的偏重于应用系统设计。总体而言，偏重于应用、控制方面的，选用微控制器（MCU）教学的较为普遍。
在国内成立嵌入式系统专业的学校，有条件可以开设一系列的嵌入式系统课程。对一般学校来说，涉及嵌入式系统相关教学内容的，可能也就是1～2门课。对于计算机专业而言，大多是原来的“微机原理与接口”“单片机原理与应用”这类课程教学内容的延续和更新。我们华东师范大学计算机系也是如此，目前“嵌入式系统原理与实践”这门课，就是原来“微机原理与接口”“嵌入式系统引论”的升级版。考虑到计算机专业软件课程（包括操作系统、编程语言等）已经很多，所以我们这门课的教学内容重点是嵌入式系统硬件接口方面的知识，以及具有嵌入式系统特点的软件设计方法，包括嵌入式处理器、存储器、I/O、RTOS、嵌入式应用编程等。
嵌入式系统是一种计算机应用系统。作为本科生专业基础课程，要抽象出一般嵌入式应用共性的知识和原理，这部分内容必须具有基础性、普适性，不依赖于某个具体的芯片。然后再选择某些有代表性的具体芯片作为实验载体，加强对原理的理解，掌握应用设计方法。平衡好这两个方面是嵌入式教学的一个难点，为此我们结合自己20多年嵌入式系统教学、科研项目开发经验，逐步抽象出符合本学科专业教学要求的嵌入式系统处理器、存储器、I/O等相关的基础知识和原理，并选择了基于ARM Cortex-M4的超低功耗微控制器MSP432作为硬件实验平台。现在各种MCU型号很多，选择MSP432主要考虑了以下因素。
（1）MSP432基于ARM Cortex-M4内核，采用ARM v7指令集，具有高性能、先进性，32位处理器已成主流，教学内容必须与时俱进。
（2）低功耗是嵌入式系统的重要特性，MSP432既有一般ARM MCU的功能性，也有超低功耗特性，可满足更多教学、应用需求。
（3）MSP432开发工具完善，可支持多种主流嵌入式开发工具，如Keil MDK、IAR、Eclipse等。
（4）对于高校教学实验需求，可向TI大学计划申请免费的MSP432 LaunchPad。
嵌入式系统教学的另一个难点是动手实践。一方面，受学校总课时限制，每周2课时的实验只能让学生做一些肤浅的验证性实验，无法做一些复杂、系统性的实验；另一方面，由于互联网应用的兴起，现在IT学科的学生普遍喜欢软件类课程和互联网应用开发，因为各种移动互联网应用，如Web、手机App应用开发更方便、有趣。为突破这个难题，提高学生对嵌入式系统的学习兴趣，同时结合物联网应用趋势、把嵌入式系统和移动互联网结合起来，我们和阿里巴巴、半导体芯片公司TI合作，开发了基于阿里云IoT平台和AliOS Things的嵌入式物联网实验系统，把手机App作为嵌入式系统的人机交互接口，并可在Internet上实现互动。该实验系统的特色如下。
（1）简单。硬件采用口袋板形式（名片大小），课程一开始就发给学生，学生可在任何时间自行进行编程实验；而在实验室规定的时间可以进行更复杂的实验，大大增加了学生的实验时间、动手和创新能力。
（2）丰富。实验内容丰富，可做一般嵌入式系统课程要求的所有实验内容；并带有Arduino扩展接口，可进行创新实验、应用开发。
（3）有趣。配接联网模块，既可实现物联网应用方案，也可用手机App进行远程操控。
（4）真实。物联网实验方案采用阿里云IoT平台，安全、稳定、有弹性，可用于实际IoT产品和项目，所学即所用。
（5）完善。教材、课件PPT、作业、答案等配套资源完善，可零起点学习使用嵌入式和物联网开发。教师还可以在网上查看、统计学生的学习、实验情况。
（6）免费。对于高校教学，可申请实验板卡、IoT云系统使用全免费。
嵌入式应用几乎无所不在，物联网给嵌入式系统发展带来巨大机遇。从某种角度上说，物联网应用系统也可看作是嵌入式系统的网络应用，因为物联网系统中的“物”，基本上都是各种嵌入式设备。随着物联网应用的发展，嵌入式软件日趋复杂，需要针对应用趋势，学习高效的嵌入式、物联网开发技术，包括RTOS、物联网OS、IoT云平台等。对于一般嵌入式开发，本书介绍了FreeRTOS。对于物联网应用开发，本书简单介绍了AliOS Things和阿里云IoT平台，并介绍了一个物联网应用实例。
考虑到教学内容的完整性、学生基础的差异性以及学习参考的便利，本书的后面几章还补充了嵌入式软件设计方法、嵌入式C语言基础、软硬件开发环境以及低功耗设计和电磁兼容性方面的基础知识。
华东师范大学计算机系嵌入式系统实验室长期重视产学研结合，与多家全球著名的半导体厂商（如TI、Microchip、ST等）和互联网企业（如阿里云、微软Azure等）合作，在MCU和物联网系统开发、推广方面积累了丰富的经验。本书内容是结合了我们多年课程教学及MCU和物联网应用开发的经验编写整理而成的，并经过了多届学生的试用，反响良好。
参与本书编写和资料整理、硬件设计和代码验证等工作的，还有华东师范大学计算机系林雯、陶立清、常艳杰、王同乐、张炤、张红艳、陈子炎、周剑晟、郝立平，上海大学李晋等。在本书成稿过程中，得到了TI大学计划经理王承宁、潘亚涛、钟舒阳，阿里巴巴IoT事业部总经理库伟、巍骛、孟子，清华大学出版社邓艳的大力支持。在此向他们表示衷心的感谢。
由于时间仓促和水平所限，书中难免存在不足之处，恳请读者批评指正，以便我们及时修正。
目前很多高校都开设了嵌入式系统课程，有的学校还有嵌入式系统专业，关于嵌入式系统教学内容的讨论也随之而来。其实，嵌入式系统这个概念很大，计算机技术和计算机应用技术的每个方面，几乎都可以找到与嵌入式系统有关联的内容，如微处理器架构、硬件系统设计、软件设计与优化、算法与控制、接口与通信、操作系统、数字信号处理、单片机应用等。所以，完整的嵌入式系统教学内容，应该是一个课程体系、包括一系列的课程。对于一般学校的一门“嵌入式系统”类课程，则不必拘泥（或统一）于某一特定的内容，完全可以根据各自学校、专业的特点和培养方案，选定教学内容。为此，我们也查阅了美国一些高校（如哥伦比亚大学、德克萨斯大学、密西根大学、伯克利大学、华盛顿大学等）的嵌入式系统课程教学内容，发现各高校相似名称的课程，教学内容也相差很大，有的偏重于系统建模、有的偏重于系统控制、有的偏重于应用系统设计。总体而言，偏重于应用、控制方面的，选用微控制器（MCU）教学的较为普遍。
在国内成立嵌入式系统专业的学校，有条件可以开设一系列的嵌入式系统课程。对一般学校来说，涉及嵌入式系统相关教学内容的，可能也就是1～2门课。对于计算机专业而言，大多是原来的“微机原理与接口”“单片机原理与应用”这类课程教学内容的延续和更新。我们华东师范大学计算机系也是如此，目前“嵌入式系统原理与实践”这门课，就是原来“微机原理与接口”“嵌入式系统引论”的升级版。考虑到计算机专业软件课程（包括操作系统、编程语言等）已经很多，所以我们这门课的教学内容重点是嵌入式系统硬件接口方面的知识，以及具有嵌入式系统特点的软件设计方法，包括嵌入式处理器、存储器、I/O、RTOS、嵌入式应用编程等。
嵌入式系统是一种计算机应用系统。作为本科生专业基础课程，要抽象出一般嵌入式应用共性的知识和原理，这部分内容必须具有基础性、普适性，不依赖于某个具体的芯片。然后再选择某些有代表性的具体芯片作为实验载体，加强对原理的理解，掌握应用设计方法。平衡好这两个方面是嵌入式教学的一个难点，为此我们结合自己20多年嵌入式系统教学、科研项目开发经验，逐步抽象出符合本学科专业教学要求的嵌入式系统处理器、存储器、I/O等相关的基础知识和原理，并选择了基于ARM Cortex-M4的超低功耗微控制器MSP432作为硬件实验平台。现在各种MCU型号很多，选择MSP432主要考虑了以下因素。
（1）MSP432基于ARM Cortex-M4内核，采用ARM v7指令集，具有高性能、先进性，32位处理器已成主流，教学内容必须与时俱进。
（2）低功耗是嵌入式系统的重要特性，MSP432既有一般ARM MCU的功能性，也有超低功耗特性，可满足更多教学、应用需求。
（3）MSP432开发工具完善，可支持多种主流嵌入式开发工具，如Keil MDK、IAR、Eclipse等。
（4）对于高校教学实验需求，可向TI大学计划申请免费的MSP432 LaunchPad。
嵌入式系统教学的另一个难点是动手实践。一方面，受学校总课时限制，每周2课时的实验只能让学生做一些肤浅的验证性实验，无法做一些复杂、系统性的实验；另一方面，由于互联网应用的兴起，现在IT学科的学生普遍喜欢软件类课程和互联网应用开发，因为各种移动互联网应用，如Web、手机App应用开发更方便、有趣。为突破这个难题，提高学生对嵌入式系统的学习兴趣，同时结合物联网应用趋势、把嵌入式系统和移动互联网结合起来，我们和阿里巴巴、半导体芯片公司TI合作，开发了基于阿里云IoT平台和AliOS Things的嵌入式物联网实验系统，把手机App作为嵌入式系统的人机交互接口，并可在Internet上实现互动。该实验系统的特色如下。
（1）简单。硬件采用口袋板形式（名片大小），课程一开始就发给学生，学生可在任何时间自行进行编程实验；而在实验室规定的时间可以进行更复杂的实验，大大增加了学生的实验时间、动手和创新能力。
（2）丰富。实验内容丰富，可做一般嵌入式系统课程要求的所有实验内容；并带有Arduino扩展接口，可进行创新实验、应用开发。
（3）有趣。配接联网模块，既可实现物联网应用方案，也可用手机App进行远程操控。
（4）真实。物联网实验方案采用阿里云IoT平台，安全、稳定、有弹性，可用于实际IoT产品和项目，所学即所用。
（5）完善。教材、课件PPT、作业、答案等配套资源完善，可零起点学习使用嵌入式和物联网开发。教师还可以在网上查看、统计学生的学习、实验情况。
（6）免费。对于高校教学，可申请实验板卡、IoT云系统使用全免费。
嵌入式应用几乎无所不在，物联网给嵌入式系统发展带来巨大机遇。从某种角度上说，物联网应用系统也可看作是嵌入式系统的网络应用，因为物联网系统中的“物”，基本上都是各种嵌入式设备。随着物联网应用的发展，嵌入式软件日趋复杂，需要针对应用趋势，学习高效的嵌入式、物联网开发技术，包括RTOS、物联网OS、IoT云平台等。对于一般嵌入式开发，本书介绍了FreeRTOS。对于物联网应用开发，本书简单介绍了AliOS Things和阿里云IoT平台，并介绍了一个物联网应用实例。
考虑到教学内容的完整性、学生基础的差异性以及学习参考的便利，本书的后面几章还补充了嵌入式软件设计方法、嵌入式C语言基础、软硬件开发环境以及低功耗设计和电磁兼容性方面的基础知识。
华东师范大学计算机系嵌入式系统实验室长期重视产学研结合，与多家全球著名的半导体厂商（如TI、Microchip、ST等）和互联网企业（如阿里云、微软Azure等）合作，在MCU和物联网系统开发、推广方面积累了丰富的经验。本书内容是结合了我们多年课程教学及MCU和物联网应用开发的经验编写整理而成的，并经过了多届学生的试用，反响良好。
参与本书编写和资料整理、硬件设计和代码验证等工作的，还有华东师范大学计算机系林雯、陶立清、常艳杰、王同乐、张炤、张红艳、陈子炎、周剑晟、郝立平，上海大学李晋等。在本书成稿过程中，得到了TI大学计划经理王承宁、潘亚涛、钟舒阳，阿里巴巴IoT事业部总经理库伟、巍骛、孟子，清华大学出版社邓艳的大力支持。在此向他们表示衷心的感谢。
由于时间仓促和水平所限，书中难免存在不足之处，恳请读者批评指正，以便我们及时修正。
目前很多高校都开设了嵌入式系统课程，有的学校还有嵌入式系统专业，关于嵌入式系统教学内容的讨论也随之而来。其实，嵌入式系统这个概念很大，计算机技术和计算机应用技术的每个方面，几乎都可以找到与嵌入式系统有关联的内容，如微处理器架构、硬件系统设计、软件设计与优化、算法与控制、接口与通信、操作系统、数字信号处理、单片机应用等。所以，完整的嵌入式系统教学内容，应该是一个课程体系、包括一系列的课程。对于一般学校的一门“嵌入式系统”类课程，则不必拘泥（或统一）于某一特定的内容，完全可以根据各自学校、专业的特点和培养方案，选定教学内容。为此，我们也查阅了美国一些高校（如哥伦比亚大学、德克萨斯大学、密西根大学、伯克利大学、华盛顿大学等）的嵌入式系统课程教学内容，发现各高校相似名称的课程，教学内容也相差很大，有的偏重于系统建模、有的偏重于系统控制、有的偏重于应用系统设计。总体而言，偏重于应用、控制方面的，选用微控制器（MCU）教学的较为普遍。
在国内成立嵌入式系统专业的学校，有条件可以开设一系列的嵌入式系统课程。对一般学校来说，涉及嵌入式系统相关教学内容的，可能也就是1～2门课。对于计算机专业而言，大多是原来的“微机原理与接口”“单片机原理与应用”这类课程教学内容的延续和更新。我们华东师范大学计算机系也是如此，目前“嵌入式系统原理与实践”这门课，就是原来“微机原理与接口”“嵌入式系统引论”的升级版。考虑到计算机专业软件课程（包括操作系统、编程语言等）已经很多，所以我们这门课的教学内容重点是嵌入式系统硬件接口方面的知识，以及具有嵌入式系统特点的软件设计方法，包括嵌入式处理器、存储器、I/O、RTOS、嵌入式应用编程等。
嵌入式系统是一种计算机应用系统。作为本科生专业基础课程，要抽象出一般嵌入式应用共性的知识和原理，这部分内容必须具有基础性、普适性，不依赖于某个具体的芯片。然后再选择某些有代表性的具体芯片作为实验载体，加强对原理的理解，掌握应用设计方法。平衡好这两个方面是嵌入式教学的一个难点，为此我们结合自己20多年嵌入式系统教学、科研项目开发经验，逐步抽象出符合本学科专业教学要求的嵌入式系统处理器、存储器、I/O等相关的基础知识和原理，并选择了基于ARM Cortex-M4的超低功耗微控制器MSP432作为硬件实验平台。现在各种MCU型号很多，选择MSP432主要考虑了以下因素。
（1）MSP432基于ARM Cortex-M4内核，采用ARM v7指令集，具有高性能、先进性，32位处理器已成主流，教学内容必须与时俱进。
（2）低功耗是嵌入式系统的重要特性，MSP432既有一般ARM MCU的功能性，也有超低功耗特性，可满足更多教学、应用需求。
（3）MSP432开发工具完善，可支持多种主流嵌入式开发工具，如Keil MDK、IAR、Eclipse等。
（4）对于高校教学实验需求，可向TI大学计划申请免费的MSP432 LaunchPad。
嵌入式系统教学的另一个难点是动手实践。一方面，受学校总课时限制，每周2课时的实验只能让学生做一些肤浅的验证性实验，无法做一些复杂、系统性的实验；另一方面，由于互联网应用的兴起，现在IT学科的学生普遍喜欢软件类课程和互联网应用开发，因为各种移动互联网应用，如Web、手机App应用开发更方便、有趣。为突破这个难题，提高学生对嵌入式系统的学习兴趣，同时结合物联网应用趋势、把嵌入式系统和移动互联网结合起来，我们和阿里巴巴、半导体芯片公司TI合作，开发了基于阿里云IoT平台和AliOS Things的嵌入式物联网实验系统，把手机App作为嵌入式系统的人机交互接口，并可在Internet上实现互动。该实验系统的特色如下。
（1）简单。硬件采用口袋板形式（名片大小），课程一开始就发给学生，学生可在任何时间自行进行编程实验；而在实验室规定的时间可以进行更复杂的实验，大大增加了学生的实验时间、动手和创新能力。
（2）丰富。实验内容丰富，可做一般嵌入式系统课程要求的所有实验内容；并带有Arduino扩展接口，可进行创新实验、应用开发。
（3）有趣。配接联网模块，既可实现物联网应用方案，也可用手机App进行远程操控。
（4）真实。物联网实验方案采用阿里云IoT平台，安全、稳定、有弹性，可用于实际IoT产品和项目，所学即所用。
（5）完善。教材、课件PPT、作业、答案等配套资源完善，可零起点学习使用嵌入式和物联网开发。教师还可以在网上查看、统计学生的学习、实验情况。
（6）免费。对于高校教学，可申请实验板卡、IoT云系统使用全免费。
嵌入式应用几乎无所不在，物联网给嵌入式系统发展带来巨大机遇。从某种角度上说，物联网应用系统也可看作是嵌入式系统的网络应用，因为物联网系统中的“物”，基本上都是各种嵌入式设备。随着物联网应用的发展，嵌入式软件日趋复杂，需要针对应用趋势，学习高效的嵌入式、物联网开发技术，包括RTOS、物联网OS、IoT云平台等。对于一般嵌入式开发，本书介绍了FreeRTOS。对于物联网应用开发，本书简单介绍了AliOS Things和阿里云IoT平台，并介绍了一个物联网应用实例。
考虑到教学内容的完整性、学生基础的差异性以及学习参考的便利，本书的后面几章还补充了嵌入式软件设计方法、嵌入式C语言基础、软硬件开发环境以及低功耗设计和电磁兼容性方面的基础知识。
华东师范大学计算机系嵌入式系统实验室长期重视产学研结合，与多家全球著名的半导体厂商（如TI、Microchip、ST等）和互联网企业（如阿里云、微软Azure等）合作，在MCU和物联网系统开发、推广方面积累了丰富的经验。本书内容是结合了我们多年课程教学及MCU和物联网应用开发的经验编写整理而成的，并经过了多届学生的试用，反响良好。
参与本书编写和资料整理、硬件设计和代码验证等工作的，还有华东师范大学计算机系林雯、陶立清、常艳杰、王同乐、张炤、张红艳、陈子炎、周剑晟、郝立平，上海大学李晋等。在本书成稿过程中，得到了TI大学计划经理王承宁、潘亚涛、钟舒阳，阿里巴巴IoT事业部总经理库伟、巍骛、孟子，清华大学出版社邓艳的大力支持。在此向他们表示衷心的感谢。
由于时间仓促和水平所限，书中难免存在不足之处，恳请读者批评指正，以便我们及时修正。
编 者
导语摘要
嵌入式系统原理与实践系统介绍了嵌入式系统的基本原理和基础知识，详细讲述了MCU应用相关的各种外设模块的工作原理和编程结构，包括ARM Cortex-M4内核、ARM v7指令系统、MCU系统控制、存储器、通用输入/输出（GPIO）、定时器、PWM、异步和同步通信接口（UART、SPI、I2C等）、模拟外设（ADC、DAC、比较器）等。同时，对嵌入式软件设计方法、嵌入式C语言基础、RTOS等作了简明阐述。*后还介绍了物联网应用、低功耗系统设计和电磁兼容性基础等。本书以MSP432微控制器为例，每个章节都提供实验操作例程代码，并配有完整的教学资源，包括PPT课件、物联网口袋实验平台和实验指导书等。本书可作为高等院校计算机、电子、自动化、仪器仪表等专业嵌入式系统、物联网、微机接口、单片机等课程的教材，也可作为广大从事MCU和物联网应用系统开发的工程技术人员的学习、参考用书。
目录
第1章 嵌入式系统与微控制器概述 1
1.1 嵌入式系统概述 1
1.1.1 嵌入式系统的发展 1
1.1.2 嵌入式系统的特点 3
1.1.3 嵌入式系统的组成 3
1.1.4 嵌入式系统的种类 5
1.1.5 嵌入式系统的调试方法 6
1.1.6 嵌入式系统的应用 12
1.2 嵌入式处理器 13
1.2.1 嵌入式处理器概述 13
1.2.2 嵌入式处理器的分类 13
1.2.3 MCU的发展和特点 18
1.3 习题 23
第2章 ARM Cortex-M处理器 24
2.1 ARM处理器概述 24
2.2 ARM处理器架构 24
2.2.1 ARM体系结构版本 25
2.2.2 ARM处理器 27
2.3 Cortex-M处理器内核及功能介绍 29
2.4 ARM Cortex-M4编程模型 34
2.4.1 处理器的工作模式和特权级别 34
2.4.2 ARM Cortex-M4寄存器 35
2.4.3 ARM Cortex-M4异常处理 38
2.5 习题 43
第3章 ARM指令系统 44
3.1 指令格式 44
3.2 条件码 46
3.3 ARM指令的寻址方式 47
3.4 ARM v7架构指令集—Thumb-2指令集 52
3.4.1 存储器访问指令 53
3.4.2 通用数据处理指令 57
3.4.3 乘法和除法指令 62
3.4.4 分支和分支控制指令 64
3.4.5 饱和运算指令SSAT和USAT 66
3.4.6 位段操作指令 67
3.4.7 杂项指令 69
3.5 ARM汇编程序设计 72
3.5.1 ARM汇编语言格式规范 72
3.5.2 ARM汇编语言编写格式示例 73
3.6 习题 73
第4章 系统控制 75
4.1 功能组件 75
4.1.1 复位控制 75
4.1.2 时钟控制 78
4.1.3 电源/功耗控制 82
4.1.4 嵌套向量中断控制器 83
4.1.5 DMA控制器 89
4.2 初始化配置 95
4.3 操作实例 98
4.3.1 时钟例程 98
4.3.2 中断例程 104
4.4 本章小结 107
4.5 习题 107
第5章 存
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