基于构件化的ARM嵌入式系统设计（共2册）

前    言
“单片机与嵌入式系统”是电子信息类、自动化类等专业的核心课程，该课程面向嵌入式系统设计师工作岗位，目的是为社会培养嵌入式智能产品设计、分析、调试与创新能力的高素质技术技能型人才。
目前，以ARM微处理器为核心的嵌入式系统应用越来越广泛，越来越多的高校开始以基于ARM内核的微控制器为蓝本开展嵌入式技术教学。目前不少ARM嵌入式系统教材主要存在以下问题：
（1）过于依赖具体的ARM芯片资料，直接将芯片手册翻译成对应的章节，没有对嵌入式系统涉及的通用知识进行提取和总结，很难体现教学重点，没有很好地遵循“循序渐进、由简到难”的教学原则；
（2）直接将芯片厂家配套的软件开发工具包中的代码作为教材对应章节的样例程序，但软件开发工具包中的代码并没有按照软件工程的要求很好地进行工程组织，这会使初学者望而生畏。
基于上述两个主要问题，很难实现在不同嵌入式芯片和不同嵌入式应用系统之间的软硬件可移植性和可复用性，并且会导致课程教学难度大、教学效果不理想等。
针对上述问题，我们在嵌入式系统课程教学中进行了改革，为了实现嵌入式系统设计的可移植性和可复用性，嵌入式硬件和嵌入式软件均采用构件化的设计思想，即对嵌入式硬件和嵌入式软件进行封装，供系统设计者调用，并倡导嵌入式软件分层设计的理念，以降低嵌入式技术教学难度和开发难度，为分层教学、因材施教提供有效可行的途径，有效突出学生的学习主体地位，充分调动学生的学习积极性，使学生具有一定的辩证唯物主义运用能力、产品成本意识、劳动意识、创新意识和创新能力。
本教材在编写过程中，牢固树立以学习者为中心的教学理念，按照“以学生为中心、学习成果为导向、促进自主学习”的思路进行教材开发设计，充分体现“做中学、学中做”“教、学、做一体化”等教育教学特色，使学校教学过程与企业的生产过程相对接。以实际、实用、必需、够用为原则，本教材采用项目化教学方式，以“项目、任务、活动”等理实一体教学模式呈现教学内容。
本教材按照循序渐进、搭积木的设计思想，共设计了10个项目，每个项目均基于构件化设计，且均采用了“通用知识”→“硬件构件设计”→“软件构件设计”→“应用层程序设计”的学习流程。后可根据学生的基础层次，利用10个项目中的部分项目或全部项目进行综合应用系统设计和课程考核。
为了方便教学和读者自学，本教材配套学习任务手册、电子教案、电子课件、基于构件化的嵌入式软件工程源程序模拟试卷及答案等教学资源。
本教材由索明何、王宜怀、邢海霞及李妙然共同编著。索明何负责全书的策划、内容安排、案例选取和统稿工作。
本教材在编写过程中，得到了苏州大学ARM嵌入式与物联网技术中心、北京龙邱智能科技有限公司、北京和绪科技有限公司的热心帮助和指导，在此一并表示衷心的感谢。
由于编者水平有限，疏漏之处在所难免，恳请广大专家和读者提出宝贵的修正意见和建议。编者联系方式：1043510795@qq.com。
注：因程序中字体不全，为与程序显示一致，本书用“us”表示“μs”。
 
                                                                  索明何
2020年7月

本教材采用项目化教学方式，以"项目、任务、活动”等理实一体教学模式呈现教学内容。按照循序渐进、搭积木的设计思想，共设计了10个项目：流水灯的设计与实现、开关状态指示灯的设计与实现、利用定时中断实现频闪灯、利用数码管显示数字、键盘的检测与控制、利用UART实现上位机和下位机的通信、利用PWM实现小灯亮度控制、利用输入捕捉测量脉冲信号的周期和脉宽、利用ADC设计简易数字电压表、利用CAN总线实现多机通信。每个项目均基于构件化设计，且均采用了"通用知识”→"硬件构件设计”→"软件构件设计”→"应用层程序设计”的学习流程。*后可根据学生的基础层次，利用10个项目中的部分项目或全部项目进行综合应用系统设计和课程考核。 为了方便教学和读者自学，本教材配套学习任务手册、电子教案、电子课件、基于构件化的嵌入式软件工程源程序、模拟试卷及答案等教学资源。 本教材可作为高等院校电子信息类、计算机类、自动化类、机电类等专业的单片机与嵌入式系统教材，也可供从事嵌入式技术开发的工程技术人员参考。

索明何，1979年出生，山东淄博人，南航大学计算机专业博士在读，副教授、高级工程师，中共党员，江苏省计算机学会嵌入式系统与物联网专业委员会委员。目前从事ARM嵌入式系统、物联网与车联网方向教学与科研工作。

目 录 
项目1 流水灯的设计与实现 1 
任务1.1 熟悉嵌入式系统、明确课程学习方法 1 
1.1.1 嵌入式系统的由来和分类 1 
1.1.2 嵌入式系统的知识体系和学习建议 3 
任务1.2 熟悉KEA128资源和硬件小系统 5 
1.2.1 KEA系列MCU简介 5 
1.2.2 KEA128存储映像、引脚功能与硬件小系统 6 
任务1.3 学习GPIO底层驱动构件设计及使用方法 11 
1.3.1 GPIO的通用知识 11 
1.3.2 KEA128的GPIO底层驱动构件设计及使用方法 12 
任务1.4 闪灯和流水灯的设计与实现 15 
1.4.1 小灯硬件构件和软件构件的设计及使用方法 15 
1.4.2 嵌入式软件小系统及闪灯的实现 19 
项目2 开关状态指示灯的设计与实现 23 
任务2.1 学习开关硬件构件和软件构件的设计及使用方法 23 
任务2.2 学习开关状态指示灯的应用层程序设计 26 
项目3 利用定时中断实现频闪灯 28 
任务3.1 理解中断的基本概念及基本过程 28 
3.1.1 中断的基本概念 28 
3.1.2 中断的基本过程 31 
任务3.2 利用FTM定时中断实现频闪灯 31 
3.2.1 FTM基本定时底层驱动构件设计及使用方法 32 
3.2.2 利用FTM定时中断实现频闪灯的应用层程序设计 34 
任务3.3 利用内核定时器（SysTick）中断实现频闪灯 36 
3.3.1 SysTick定时器底层驱动构件头文件 37 
3.3.2 利用SysTick中断实现频闪灯的应用层程序设计 38 
项目4 利用数码管显示数字 40 
任务4.1 学习数码管通用知识及数码管硬件构件设计 40 
4.1.1 数码管的结构 40 
4.1.2 数码管的硬件构件设计 41 
4.1.3 数码管的笔形码 42 
任务4.2 学习数码管软件构件设计及使用方法 43 
4.2.1 数码管软件构件头文件 44 
4.2.2 数码管软件构件源文件 45 
任务4.3 数码管显示的应用层程序设计 47 
4.3.1 使某位数码管显示数据 48 
4.3.2 使多位数码管轮流显示数据 49 
4.3.3 使多位数码管“同时”显示数据 50 
4.3.4 利用定时中断实现数码管动态显示效果 51 
项目5 键盘的检测与控制 56 
任务5.1 学习键盘通用知识及键盘硬件构件设计 56 
5.1.1 键盘通用知识 56 
5.1.2 独立式键盘硬件构件设计 57 
5.1.3 矩阵式键盘硬件构件设计 58 
任务5.2 学习键盘软件构件设计及使用方法 59 
5.2.1 独立式键盘软件构件设计及使用方法 59 
5.2.2 矩阵式键盘软件构件设计及使用方法 61 
任务5.3 键盘检测与控制的应用层程序设计 66 
5.3.1 独立式键盘检测与控制的应用层程序设计 66 
5.3.2 矩阵式键盘检测与控制的应用层程序设计 68 
项目6 利用UART实现上位机和下位机的通信 75 
任务6.1 学习UART的通用知识 75 
任务6.2 学习UART底层驱动构件设计及使用方法 78 
任务6.3 学习PC与MCU的串口通信与调试方法 81 
6.3.1 UART通信的应用层程序设计 81 
6.3.2 UART通信的测试方法 84 
6.3.3 使用printf函数输出数据 84 
项目7 利用PWM实现小灯亮度控制 88 
任务7.1 学习PWM的通用知识 88 
任务7.2 学习FTM_PWM底层驱动构件设计及使用方法 90 
任务7.3 利用PWM实现小灯亮度控制的应用层程序设计 93 

项目8 利用输入捕捉测量脉冲信号的周期和脉宽 95 
任务8.1 学习输入捕捉的通用知识 95 
任务8.2 学习FTM输入捕捉底层驱动构件设计及使用方法 96 
任务8.3 学习FTM输入捕捉功能的应用层程序设计方法 99 
项目9 利用ADC设计简易数字电压表 103 
任务9.1 学习ADC的通用知识 103 
任务9.2 学习ADC底层驱动构件设计及使用方法 106 
任务9.3 简易数字电压表的设计 108 
9.3.1 简易数字电压表的硬件电路组成和工作原理 108 
9.3.2 简易数字电压表的应用层程序设计 108 
项目10 利用CAN总线实现多机通信 111 
任务10.1 学习CAN的通用知识 111 
10.1.1 CAN总线系统的总体构成 111 
10.1.2 CAN节点的硬件结构和网络通信原理 112 
10.1.3 CAN总线的优点 120 
任务10.2 学习CAN底层驱动构件设计及使用方法 121 
任务10.3 学习多机之间的CAN通信与调试方法 127 
附录A 80LQFP封装S9KEAZ128AMLK引脚功能分配表 131 
附录B Keil MDK集成开发环境使用方法 134 
附录C 下载软件J-Flash简明使用方法 143 
附录D 系统时钟 146 
附录E 公共要素构件文件 150 
附录F KEA128底层驱动构件源文件（.c文件） 156 
参考文献 194

本教材采用项目化教学方式，以"项目、任务、活动”等理实一体教学模式呈现教学内容。按照循序渐进、搭积木的设计思想，共设计了10个项目：流水灯的设计与实现、开关状态指示灯的设计与实现、利用定时中断实现频闪灯、利用数码管显示数字、键盘的检测与控制、利用UART实现上位机和下位机的通信、利用PWM实现小灯亮度控制、利用输入捕捉测量脉冲信号的周期和脉宽、利用ADC设计简易数字电压表、利用CAN总线实现多机通信。每个项目均基于构件化设计，且均采用了"通用知识”→"硬件构件设计”→"软件构件设计”→"应用层程序设计”的学习流程。*后可根据学生的基础层次，利用10个项目中的部分项目或全部项目进行综合应用系统设计和课程考核。 为了方便教学和读者自学，本教材配套学习任务手册、电子教案、电子课件、基于构件化的嵌入式软件工程源程序、模拟试卷及答案等教学资源。 本教材可作为高等院校电子信息类、计算机类、自动化类、机电类等专业的单片机与嵌入式系统教材，也可供从事嵌入式技术开发的工程技术人员参考。

索明何，1979年出生，山东淄博人，南航大学计算机专业博士在读，副教授、高级工程师，中共党员，江苏省计算机学会嵌入式系统与物联网专业委员会委员。目前从事ARM嵌入式系统、物联网与车联网方向教学与科研工作。