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第1章 嵌入式系统概述1

1.1 概述1

1.2 嵌入式系统的概念1

1.3 嵌入式系统及处理器的发展2

1.3.1 嵌入式系统的发展2

1.3.2 嵌入式处理器的发展3

1.4 嵌入式系统的特点4

1.5 嵌入式系统的组成6

1.5.1 嵌入式处理器7

1.5.2 存储器8

1.5.3 外设9

1.6 嵌入式系统的种类9

1.7 嵌入式处理器与专用集成电路10

1.8 嵌入式系统的调试方法11

1.8.1 基于主机的调试12

1.8.2 远程调试器与调试内核13

1.8.3 ROM仿真器15

1.8.4 在线仿真ICE17

1.8.5 BDM21

1.8.6 JTAG24

1.8.7 软件仿真器27

1.9 嵌入式系统的应用28

1.9.1 消费类电子产品28

1.9.2 办公自动化产品30

1.9.3 控制系统与工业自动化30

1.9.4 生物医学系统30

1.9.5 现场仪器31

1.9.6 网络通信设备31

1.9.7 电信设备31

1.10 嵌入式系统的发展趋势31

1.10.1 硬件的发展32

1.10.2 软件的发展33

1.10.3 系统的发展33

1.11 本章小结35

1.12 思考题35

第2章 嵌入式系统开发过程36

2.1 概述36

2.2 需求分析阶段36

2.2.1 分析用户的需求36

2.2.2 确定硬件和软件40

2.2.3 检查需求分析的结果41

2.2.4 确定项目的约束条件42

2.2.5 概要设计43

2.3 详细设计阶段45

2.3.1 审查分析资料46

2.3.2 体系结构设计46

2.3.3 硬件与软件的划分47

2.3.4 硬件和软件的设计次序48

2.3.5 硬件设计48

2.3.6 软件设计50

2.3.7 检查设计52

2.3.8 嵌入式系统设计的自动化52

2.3.9 嵌入式系统设计工具的评估53

2.3.10 硬件平台54

2.4 实现阶段54

2.4.1 选择开发平台54

2.4.2 软件开发过程60

2.4.3 开发阶段的文档样例62

2.5 测试阶段63

2.5.1 测试的原因64

2.5.2 何时测试66

2.5.3 测试内容67

2.5.4 何时停止测试67

2.5.5 选择测试实例68

2.5.6 嵌入式系统的实时失败模式70

2.5.7 评估测试的覆盖率71

2.5.8 性能测试74

2.5.9 维护和测试75

2.6 本章小结76

2.7 思考题76

第3章 嵌入式处理器78

3.1 概述78

3.2 嵌入式系统硬件子系统的组成79

3.2.1 嵌入式系统的方式79

3.2.2 硬件子系统总体组成80

3.2.3 嵌入式处理器子系统81

3.2.4 嵌入式存储器子系统85

3.2.5 附属电路和I/O子系统86

3.2.6 调试子系统86

3.2.7 如何选择处理单元86

3.3 嵌入式处理器的技术指标87

3.4 典型的嵌入式处理器89

3.4.1 Microchip系列嵌入式控制器89

3.4.2 Philips LPC嵌入式控制器系列90

3.4.3 Motorola微控制器MC68HC08系列92

3.4.4 MCS-51系列嵌入式控制器／处理器94

3.4.5 Atmel公司的AVR系列微控制器96

3.4.6 80C186系列16位嵌入式处理器99

3.4.7 MC68HC12系列处理器102

3.4.8 PowerPC系列32位嵌入式处理器103

3.4.9 ColdFire系列32位嵌入式处理器108

3.4.10 ARM系列113

3.4.11 我国的嵌入式处理器141

3.5 如何选择嵌入式处理器144

3.5.1 选择处理器的总原则144

3.5.2 选择嵌入式处理器的具体方法145

3.6 嵌入式CPU子系统的设计方法147

3.6.1 设计原则147

3.6.2 基于微控制器的设计148

3.6.3 基于微处理器的设计151

3.7 本章小结154

3.8 思考题155

第4章 嵌入式系统的存储器156

4.1 概述156

4.2 嵌入式系统存储器的结构和组织156

4.2.1 存储器的结构156

4.2.2 嵌入式系统存储器子系统的结构157

4.3 存储器的性能指标158

4.4 存储器的工作时序159

4.5 存储器的分类163

4.6 随机存储器RAM164

4.6.1 静态RAM164

4.6.2 动态RAM167

4.6.3 双端口RAM171

4.6.4 如何选择RAM181

4.7 只读存储器ROM182

4.7.1 掩膜ROM182

4.7.2 PROM182

4.7.3 EPROM183

4.7.4 EEPROM187

4.7.5 Flash188

4.7.6 只读存储器的编程194

4.8 混合类型存储器197

4.9 存储器的测试197

4.9.1 普通存储器的问题197

4.9.2 电子线路的问题198

4.9.3 无存储器的芯片199

4.9.4 芯片的不正确插入199

4.9.5 制定测试策略199

4.10 验证只读存储器的内容206

4.10.1 校验和206

4.10.2 循环冗余码206

4.11 系统配置数据存储器207

4.12 本章小结208

4.13 思考题209

第5章 嵌入式系统的I/O模块210

5.1 概述210

5.2 复位电路210

5.2.1 阻容复位电路210

5.2.2 手动复位电路211

5.2.3 看门狗复位212

5.2.4 专用复位电路212

5.2.5 内部复位电路213

5.2.6 软件复位214

5.3 系统时钟214

5.3.1 RC时钟214

5.3.2 石英晶体215

5.3.3 石英振荡器215

5.3.4 锁相倍频时钟215

5.3.5 多时钟源处理器的优点216

5.4 I/O模块216

5.4.1 I/O接口的基本结构217

5.4.2 I/O接口的信号及其作用217

5.4.3 寄存器的映射方式218

5.4.4 举例：80186EB的I/O电路映射方式219

5.5 嵌入式系统的译码器220

5.5.1 译码器的作用和种类220

5.5.2 普通的译码器220

5.5.3 可编程器件译码器221

5.5.4 嵌入式处理器上的集成译码模块221

5.5.5 举例：80186EB的通用译码器221

5.6 定时器／计数器222

5.6.1 定时器／计数器的功能222

5.6.2 定时器／计数器的基本结构223

5.6.3 定时器／计数器的工作模式224

5.6.4 举例：80186EB定时器／计数器224

5.7 SPI224

5.7.1 SPI的原理224

5.7.2 SPI的数据流动226

5.7.3 SPI的功能227

5.7.4 SPI的引脚227

5.7.5 SPI寄存器228

5.8 UART231

5.8.1 串行接收机RxMachine232

5.8.2 串行发送机TxMachine233

5.8.3 UART基本特征234

5.8.4 通信模式234

5.8.5 UART的编程和使用235

5.9 通用并行接口237

5.9.1 通用并口的基本特点237

5.9.2 I/O端口的编程结构240

5.9.3 通用并口的操作241

5.10 其他I/O241

5.11 本章小结242

5.12 思考题243

第6章 嵌入式软件系统244

6.1 概述244

6.2 嵌入式软件结构和组成244

6.2.1 嵌入式系统软件的组成245

6.2.2 初始化引导代码245

6.2.3 板级支持包246

6.2.4 嵌入式操作系统246

6.2.5 网络协议栈246

6.2.6 应用软件247

6.2.7 图形用户接口GUI247

6.3 监控程序247

6.4 BSP概念介绍247

6.4.1 嵌入式操作系统运行的必要条件247

6.4.2 BSP的运行流程248

6.4.3 Nucleus Plus的BSP和初始化249

6.4.4 VRTX的板级支持包和初始化249

6.5 嵌入式软件系统的设计方法251

6.5.1 无操作系统的嵌入式系统设计251

6.5.2 有操作系统的嵌入式系统设计255

6.6 软件移植256

6.6.1 移植的必要性256

6.6.2 裸机系统的软件移植257

6.6.3 有操作系统的软件移植259

6.6.4 应用软件的移植260

6.6.5 可移植应用软件的设计原则269

6.7 本章小结274

6.8 思考题274

第7章 嵌入式操作系统276

7.1 概述276

7.2 操作系统介绍277

7.2.1 什么是操作系统277

7.2.2 操作系统分类278

7.2.3 操作系统结构279

7.2.4 操作系统的功能组成281

7.3 嵌入式RTOS的基本概念284

7.4 RTOS的关键技术指标285

7.5 RTOS的基本术语286

7.6 RTOS的要求288

7.7 常用的嵌入式操作系统289

7.7.1 Nucleus Plus289

7.7.2 VxWorks290

7.7.3 μC/OSⅡ292

7.7.4 嵌入式Linux293

7.7.5 QNX294

7.7.6 U.S.Software297

7.7.7 ThreadX297

7.7.8 Windows CE298

7.7.9 Hopen300

7.8 利用嵌入式操作系统开发应用302

7.8.1 初始化311

7.8.2 任务控制313

7.8.3 任务之间的通信313

7.8.4 任务之间的同步317

7.8.5 定时器323

7.8.6 动态存储器325

7.8.7 分区存储器329

7.9 如何选择嵌入式操作系统331

7.9.1 概述331

7.9.2 选择实时操作系统的依据332

7.10 本章小结338

7.11 思考题338

第8章 嵌入式网络与协议栈340

8.1 概述340

8.2 嵌入式网络341

8.2.1 分布式嵌入式系统341

8.2.2 基于网络的设计过程347

8.2.3 几种常用的网络技术简介352

8.3 最后100m-家庭网络技术354

8.3.1 HomePNA354

8.3.2 HomePNA的简介355

8.3.3 HomePNA的特点356

8.3.4 HomePNA的原理356

8.3.5 HomePNA的应用范围356

8.4 工业网络与现场总线357

8.4.1 FF总线协议358

8.4.2 HART协议361

8.4.3 Profibus协议362

8.4.4 CAN协议364

8.4.5 P-NET366

8.4.6 Control Net366

8.4.7 WORLDFIP367

8.4.8 Device Net368

8.5 嵌入式系统的联网368

8.5.1 选择协议栈369

8.5.2 选择网络技术369

8.5.3 选择现成的实现方案370

8.5.4 使用标准的应用协议370

8.5.5 流行的网络体系结构370

8.6 嵌入式Internet372

8.6.1 嵌入式Internet概述372

8.6.2 嵌入式Internet的应用373

8.6.3 嵌入式Internet的原理374

8.6.4 嵌入式Internet的接入方案举例376

8.6.5 嵌入式Internet接入的趋势378

8.6.6 嵌入式Internet开发工具举例——EMIT开发方法378

8.6.7 嵌入式TCP/IP380

8.7 蓝牙技术384

8.7.1 蓝牙技术及特点384

8.7.2 蓝牙协议栈385

8.7.3 蓝牙应用产品386

8.8 I2C总线388

8.8.1 物理层388

8.8.2 电路接口388

8.8.3 数据链路层389

8.8.4 字节格式390

8.8.5 总线属性391

8.8.6 应用接口391

8.9 本章小结392

8.10 思考题392

第9章 嵌入式软件组件393

9.1 概述393

9.2 嵌入式系统模型393

9.3 键盘394

9.4 LED显示器398

9.4.1 模型398

9.4.2 接口函数定义与使用400

9.4.3 内部结构实现401

9.5 LCD显示器403

9.5.1 模型403

9.5.2 接口函数404

9.5.3 模块实现409

9.6 日历时钟411

9.6.1 概述411

9.6.2 接口函数411

9.6.3 模块实现415

9.7 模拟量输入416

9.7.1 模型416

9.7.2 接口函数417

9.7.3 读取模数转换的方法417

9.7.4 模块组件的可移植性考虑420

9.8 模拟量输出421

9.8.1 模型421

9.8.2 接口函数421

9.8.3 模块实现422

9.9 数字量／开关量输入422

9.9.1 模型422

9.9.2 接口函数422

9.10 异步串行通信UART425

9.10.1 模型425

9.10.2 模块实现426

9.10.3 接口函数429

9.11 其他组件模块433

9.12 本章小结433

9.13 思考题433

第10章 案例分析435

10.1 概述435

10.2 PDA435

10.2.1 PDA概述435

10.2.2 PDA的硬件设计437

10.2.3 PDA的软件设计441

10.3 GPS接收机443

10.3.1 GPS概述443

10.3.2 基于ARM7的GPS接收机的设计444

10.3.3 接收机性能分析446

10.4 水表智能抄表系统446

10.4.1 水表智能抄表系统简介446

10.4.2 基于32位机S3C44B0X的抄表手机的设计448

10.5 防火墙449

10.5.1 防火墙技术现状449

10.5.2 当前国内外硬件防火墙产品技术现状450

10.5.3 嵌入式防火墙的组成451

10.6 信息家电453

10.6.1 信息家电概述453

10.6.2 信息家电的主要功能和特点453

10.6.3 信息家电的分类454

10.6.4 信息家电的硬件平台456

10.6.5 信息家电的结构456

10.6.6 嵌入式Linux在信息家电上的优势457

10.7 本章小结458

10.8 思考题459

第11章 嵌入式计算机的功耗问题460

11.1 概述460

11.2 低功耗的优点460

11.2.1 电池驱动的需要460

11.2.2 安全的需要461

11.2.3 解决电磁干扰461

11.2.4 节能的需要461

11.3 降低功耗的措施综述462

11.3.1 功耗产生的原因462

11.3.2 与系统功耗有关的因素462

11.3.3 降低功耗的措施463

11.4 元件工艺的低功耗465

11.5 硬件系统的低功耗设计469

11.5.1 选择低功耗的器件470

11.5.2 选用低功耗电路471

11.5.3 单电源、低电压供电472

11.5.4 分区供电降低功耗472

11.5.5 利用I/O引脚为外围器件供电473

11.5.6 电源管理单元的设计474

11.5.7 采用智能电源474

11.5.8 片选信号的处理474

11.5.9 有效利用I/O器件的待机方式475

11.5.10 降低处理器的时钟频率475

11.5.11 动态改变CPU的时钟476

11.5.12 降低持续工作电流476

11.5.13 低功耗系统设计举例476

11.6 软件系统的低功耗设计478

11.7 关于电池供电系统481

11.8 本章小结482

11.9 思考题482

第12章 电磁兼容性问题484

12.1 概述484

12.2 电磁兼容的基本概念484

12.3 电磁兼容的基本术语484

12.4 电磁兼容的基本原理485

12.4.1 常见的电磁兼容性问题485

12.4.2 电磁环境特性487

12.4.3 噪声耦合路径488

12.4.4 PCB走线的天线效应489

12.4.5 系统内部电磁干扰产生的原因490

12.5 考虑电磁兼容时元件的模型和特性490

12.6 提高电磁兼容性的措施500

12.6.1 消除地电位不均匀500

12.6.2 接地散热器的处理501

12.6.3 时钟源的电源滤波方法503

12.6.4 集成电路的辐射考虑505

12.6.5 电路的布局与布线506

12.7 旁路和去耦506

12.7.1 旁路和去耦概述506

12.7.2 电源层和接地层的分布电容考虑507

12.7.3 并联电容器507

12.7.4 去耦电容参数的计算508

12.7.5 安装509

12.7.6 大电容的使用和选择510

12.7.7 组件内电容概述511

12.8 信号完整性与串扰511

12.8.1 信号完整性要求511

12.8.2 反射和衰减振荡512

12.8.3 计算电长走线515

12.8.4 串扰515

12.9 PCB走线终端517

12.9.1 传输线效应517

12.9.2 终端匹配方法518

12.10 接地524

12.10.1 概述524

12.10.2 接地模型524

12.10.3 接地方法525

12.10.4 消除接地环路528

12.10.5 消除多点接地系统中的谐振现象530

12.10.6 电路子卡与卡架之间的场耦合531

12.10.7 I/O连接器的设计考虑531

12.11 考虑电磁兼容性的其他措施532

12.11.1 屏蔽532

12.11.2 磁珠的使用533

12.11.3 电源低通滤波器533

12.11.4 其他EMC器件533

12.12 控制噪声的经验小结534

12.12.1 控制噪声源534

12.12.2 从传输路径减小噪声的耦合534

12.12.3 在信号接收端减小噪声的接收535

12.13 本章小结536

12.14 思考题536

附录 国外高校嵌入式系统课程的体系结构举例537

参考文献541