嵌入式系统设计——基于Cortex-M处理器与RTOS构建 9787302621751

进入21 世纪20 年代，电子技术、计算机技术都在飞速发展，嵌入式系统设计与应用技术在各个领域都有它的身影。近年来，嵌入式系统设计显然是一个研究与应用热点，不断创造出了新的应用场景。计算机技术虽是从电子技术中孕育而生，却能借助计算机软件发展得更为枝繁叶茂，而嵌入式系统无疑是计算机技术（偏软）与电子技术（偏硬）的完美复合，是一门非常值得电子信息类、计算机类专业学生深入学习的课程。
基于工程领域中嵌入式系统设计技术的巨大实用价值，以及对嵌入式系统教学中实践能力和创新意识培养的重视，本书的特色主要体现在如下4 个方面。
1．教学实例丰富翔实，注重实践能力的培养
在绝大部分章节中都安排了针对性较强的实例设计项目，使学生对每一章节的课堂教学内容和教学效果能及时通过实验得以消化和强化，并尽可能地从一开始学习就有机会将理论知识与实践紧密联系起来。
全书包含数十个演示示例及其相关的实验项目，这些项目涉及的嵌入式工具软件类型较多、技术领域也较宽、知识涉猎密集、针对性强，而且自主创新意识的启示性好。与书中的示例相同，所有的实验项目都通过了配套嵌入式平台的硬件验证。每一个实验项目除给出详细的实验目的、实验原理和实验内容要求之外，还有2～5 个子项目或子任务。它们通常分为如下几方面：第一个层次的实验是与该章某个阐述内容相关的验证性实验，并提供了详细的且被验证的设计源程序和实验方法，学生只需将提供的设计示例输入计算机，并参照图示步骤进行编译下载，在实验系统上实现即可，这使学生有一个初步的感性认识，也提高了实验的效率；第二个层次的实验任务要求在上一实验基础上做一些改进和发挥；第三个层次的实验通常是提出自主设计的要求和任务；第四个层次的实验则是在仅给出一些提示的情况下提出自主创新性设计的要求。因此，教师可以根据学时数、教学实验的要求以及不同的学生对象，布置不同层次含不同任务的实验项目。
2．教学实例新颖有趣，注重创新能力的培养
在绝大部分章节中都安排了新颖实用又不乏有趣的实例设计项目，使学生对每一章节的课堂教学内容和教学效果能及时通过实验得以消化和强化，并吸引学生的注意力、提高学生的学习兴趣，引导学生进行自主设计，从实践中培养学生的创新能力。
如第5 章简单外设应用实践，介绍了GPIO、AD 和几种常见传感器外设，示例演示了这几种外设和传感器的简单应用。在该章节的示例演示使学生对这些外设有了感性认识后，该章节安排的实验内容就引导学生设计了声控延时开关和防火防盗报警器这两个生活中常见的应用实例。
再比如第7 章无线通信应用实践，介绍了HC05 和ESP01 这两种当前流行的无线通信嵌入式系统设计—基于Cortex-M 处理器与RTOS 构建外设模块。基于该章节的示例演示和作者提供的远程调试工具，学生就能够通过这两种无线通信模块对实验系统进行远程控制了。学生结合当前物联网应用和各种无线应用场景需求，可以在该章节的示例基础上扩展出各种设计，实现诸多创新性应用。
3．灵活可伸缩的教材内容与学时安排
本教材的结构特点决定了授课学时数可十分灵活，即可长可短，应视具体的专业特点、课程定位及学习者的前期教育程度等因素而定，同时适应微控制器（单片机）、嵌入式系统设计、嵌入式RTOS、嵌入式系统课程设计等课程。考虑到嵌入式系统设计技术课程的特质和本教材的特色，具体教学可以是粗放型的，其中多数内容，特别是实践项目，都可放手让学生更多地自己去查阅资料、提出问题、解决问题，乃至创新与创造；而授课教师只需做一个启蒙者、引导者、鼓励者和学生成果的检验者与评判者。授课的过程多数情况只需点到为止，大可不必拘泥于细节、面面俱到。但有一个原则，即安排的实验学时数应多多益善。
4．精心定制的便携式实验板，随时随地开展嵌入式系统学习
事实上，任何一门课程的学时数总是有限的，为了有效增加学生的实践和自主设计的时间，我们对于这门课程采用了每个同学配备一套便携式嵌入式系统实验板这一措施，即每个上嵌入式系统设计课的同学都可借出一套精心定制的实验板，使他们能利用自己的计算机在课余时间完成自主设计项目，强化学习效果。实践表明，这种安排使得实验课时得到有效延长，教学成效自然显著。
我们建议积极鼓励学生利用课余时间尽可能学完本书的全部内容，掌握本书介绍的所有嵌入式开发工具软件和相关开发手段，并尽可能多地完成本书配置的实验和设计任务，甚至能参考教材中的要求，安排参加相关的创新设计竞赛，进一步激发同学的学习积极性和主动性，并强化他们的动手能力和自主创新能力。
针对本教材中的实验和实践项目所能提供的演示示例原设计文件的问题：本书中多数实验都能提供经硬件验证调试好的演示示例原设计，目的是让读者能顺利完成实验验证和设计；有的示例的目的是希望能启发或引导读者完成更有创意的设计，其中一些示例尽管看上去颇有创意，但都不能说是最佳或最终结果，这给读者留有许多改进和发挥的余地。此外，还有少数示例无法提供源代码（只能提供演示文件），是考虑到本书作者以外的设计者的著作权，但这些示例仍能在设计的可行性、创意和创新方面给予读者以宝贵的启示。
与本书相关的其他资料，包括本书的配套课件、实验示例源程序资料、相关设计项目等参考资料，都可扫描书后二维码免费下载获取。此外，对于书中每章习题的答案，高校教师若有需要，可通过出版社联系作者获取。
编 者
于杭州电子科技大学

《嵌入式系统设计——基于Cortex-M 处理器与RTOS 构建》系统地介绍了基于ARM Cortex体系的嵌入式系统设计，将单片机技术、RTOS概念、传感器应用、编程技巧和实用方法与实际工程开发技术在STM32F407硬件平台上很好地结合起来，使读者通过本书的学习能迅速了解并掌握基于STM32的嵌入式系统设计方法和工程开发实用技术，为后续的深入学习和发展打下坚实的理论与实践基础。作者依据学习和实验操作的规律与要求，并以提高学生的实际工程设计能力和自主创新能力为目的，合理编排全书内容。全书从内容上可分为8 个部分：ARM Cortex体系概述、硬件平台介绍、工具软件介绍及使用方法、RTOS介绍、常见工程技术应用、文件系统应用、低功耗设计应用以及综合实践。每章节安排了相应的实验内容和扩展练习题。

第1 章 基于Cortex-M 的嵌入式系统概述 1
1.1 嵌入式系统基本概念 1
1.1.1 嵌入式系统的构成要素 1
1.1.2 嵌入式系统的主要特点 3
1.2 ARM Cortex 系列体系结构 4
1.2.1 嵌入式处理器分类 4
1.2.2 嵌入式处理器内核Cortex 系列分类 5
1.3 ARM Cortex-M 各系列特点 5
1.4 STM32F407 结构简介 7
1.5 实时操作系统RTOS 简介 7
1.6 嵌入式系统在物联网中的发展 9
习题 9
第2 章 Cortex-M 嵌入式硬件平台 11
2.1 硬件平台简介 11
2.2 主要器件 12
2.3 主要功能模块 13
习题 16
第3 章 嵌入式开发工具与设计流程 17
3.1 STM32 开发工具 . 17
3.2 ARM Keil MDK 工具 18
3.3 STM32CubeMX 使用方法 22
3.3.1 STM32Cube 简介 22
3.3.2 STM32CubeMX 软件安装 23
3.4 基于HAL 库的程序设计流程 25
3.4.1 STM32 HAL 介绍 25
3.4.2 CubeMX 工程创建流程 28
3.5 第一个LED 点灯程序 30
实验1 按键扫描与流水灯设计 39
习题 40
第4 章 FreeRTOS 操作系统 41
4.1 FreeRTOS 系统简介 41
4.2 FreeRTOS 系统移植 42
4.3 多任务系统基本概念 45
4.3.1 任务及任务管理 45
4.3.2 优先级 48
4.3.3 消息队列 49
4.3.4 信号量 51
4.3.5 互斥量 54
4.3.6 事件 56
4.3.7 任务通知 58
4.3.8 内存管理 60
4.4 创建第一个RTOS 工程 63
4.4.1 CubeMX 工程配置 63
4.4.2 导出MDK 工程 66
4.4.3 编写功能代码 . 69
实验2 多任务键盘与流水灯实验 72
习题 72
第5 章 简单外设应用 74
5.1 数码管应用 74
5.2 按键与外部中断 78
5.3 麦克风与ADC 应用 81
5.3.1 添加串口打印输出 81
5.3.2 ADC 模块介绍 83
5.3.3 麦克风AD 采样示例 85
5.4 单总线温度传感器应用 89
5.5 IIC 接口陀螺仪传感器应用 92
实验3 声控延时亮灯实验 95
实验4 温度报警与倾角监测实验 96
习题 96
第6 章 串口通信应用 98
6.1 学习板虚拟串口概述 98
6.2 轮询接收方式串口通信 102
6.3 中断接收方式串口通信 104
6.3.1 串口接收中断示例 104
6.3.2 DMA 空闲中断示例 106
6.3.3 流水灯串口通信应用 107
6.4 使用SWO 调试 110
实验5 简单串口通信实验 112
实验6 数据采集与串口通信实验 112
习题 113
第7 章 无线通信应用 114
7.1 蓝牙HC05 通信模块介绍 114
7.1.1 HC05 蓝牙模块用法介绍 115
7.1.2 HC05 蓝牙模块AT 指令介绍 115
7.2 蓝牙通信实践 117
7.3 ESP8266WIFI 通信模块介绍 122
7.3.1 ESP01 模块用法介绍 123
7.3.2 ESP01 模块AT 指令介绍 123
7.4 WIFI 通信实践 125
7.5 物联网连接应用实践 130
7.5.1 创建OneNET 平台设备 131
7.5.2 连接OneNET 平台 134
实验7 蓝牙手机遥控实验 139
实验8 数据采集及WIFI 通信实验 139
习题 140
第8 章 GUI 显示应用 141
8.1 OLED 应用介绍 141
8.1.1 单色IIC 接口OLED 介绍 141
8.1.2 OLED 显示屏驱动程序介绍 142
8.1.3 GUISlim 图形库介绍 143
8.1.4 汉字点阵文件介绍 144
8.2 OLED 应用实践 148
8.3 MCU 接口LCD 介绍 152
8.4 LCD 应用实践 154
8.4.1 emWin 图形库介绍 154
8.4.2 FSMC 总线配置 154
8.4.3 LCD 屏驱动移植接口 157
8.4.4 GUI 应用设计 163
实验9 OLED 显示屏数据曲线绘制实验 169
实验10 LCD 液晶屏GUI 设计实验 169
习题 170
第9 章 定时器应用 . 171
9.1 STM32F4 定时器介绍 171
9.1.1 常规定时器 171
9.1.2 HAL 库定时器应用方法 172
9.1.3 定时器基本概念介绍 174
9.2 定时器基本功能应用 174
9.3 PWM 输出应用 179
9.4 信号捕捉应用 182
9.5 外部脉冲计数应用 187
实验11 简易闹铃设计实验 191
实验12 呼吸灯设计实验 191
实验13 简易频率计设计实验 191
实验14 简单录音机设计实验 192
习题 192
第10 章 RTC 与低功耗应用 194
10.1 RTC 实时时钟应用 194
10.2 STM32 低功耗模式介绍 200
10.3 STM32 低功耗应用 . 201
实验15 基于RTC 的电子钟设计 206
实验16 低功耗待机与唤醒实验 207
习题 207
第11 章 FatFs 文件系统应用 208
11.1 FatFs 介绍 208
11.2 SPI FLASH 应用实践 212
11.2.1 添加配置SPI 外设 212
11.2.2 添加SPI FLASH 驱动 214
11.2.3 SPI FLASH 直接读写操作实践 215
11.2.4 SPI FLASH 文件读写操作实践 218
11.3 SD 卡应用实践 222
11.3.1 添加配置SDIO 外设 222
11.3.2 SD 卡文件读写操作实践 224
11.4 U 盘挂载应用实践 226
11.4.1 添加配置USB Host 组件 227
11.4.2 U 盘文件读写操作实践 228
实验17 数据存储实验 230
实验18 文件传输实验 231
习题 231
第12 章 STM32 IAP 程序设计 233
12.1 STM32 IAP 概念介绍 233
12.2 STM32 内部FLASH 介绍 234
12.3 STM32 内部FLASH 读写实践 235
12.4 程序跳转应用实践 238
12.5 IAP 程序设计实践 245
实验19 串口IAP 设计实验 253
实验20 U 盘IAP 设计实验 253
习题 254
第13 章 鸿蒙嵌入式系统移植 255
13.1 OpenHarmony 介绍 255
13.1.1 LiteOS-M 内核简介 255
13.1.2 开发环境配置 256
13.2 OpenHarmony 系统移植 261
13.2.1 创建裸机工程 261
13.2.2 系统编译构建移植 263
13.2.3 系统启动过程适配 275
13.2.4 编译及烧录 277
13.3 OpenHarmony 应用开发示例 280
13.3.1 hello world 示例 280
13.3.2 流水灯示例 281
实验21 OpenHarmony 系统移植实验 283
习题 284
参考文献 285

《嵌入式系统设计——基于Cortex-M 处理器与RTOS 构建》可作为电子信息工程、通信、工业自动化、计算机应用技术、信息安全等专业的单片机、嵌入式实践和电子系统综合设计课或主要参考书，同时也可作为电子设计竞赛开发应用的自学参考书。