本书是嵌入式系统的基础教程，主要面向初级系统设计人员。书中详细介绍了嵌入式系统最基本的软体和硬体要素，以及将代码嵌入到系统中的一些软体技术和接口技术。

目录

第1章嵌入式系统简介 1

1.1嵌入式系统 2

1.1.1系统 2

1.1.2嵌入式系统 3

1.1.3嵌入式系统的分类 4

1.1.4嵌入式系统设计者需要具备的技能 5

1.2系统中的处理器 6

1.2.1系统中的处理器 6

1.2.2微处理器 7

1.2.3微控制器 8

1.2.4複杂系统的嵌入式处理器 10

1.2.5数位讯号处理器 11

1.2.6嵌入式系统的专用系统处理器 11

1.2.7使用通用处理器的多处理器系统 12

1.3其他硬体单元 13

1.3.1电源和低功耗管理 13

1.3.2时钟振荡电路和时钟单元 15

1.3.3系统需要的各种计时和计数功能的实时时钟和定时器 16

1.3.4复位电路、加电复位和Watchdog定时器复位 16

1.3.5存储器 17

1.3.6输入、输出和I/O连线埠，IO汇流排和IO接口 18

1.3.7中断处理器 19

1.3.8DAC(使用PWM)和ADC 19

1.3.9LCD和LED显示 20

1.3.10小键盘/键盘 21

1.3.11脉冲拨号电路、数据机和收发器 21

1.3.12GPIB(IEEE488)连线 21

1.3.13嵌入式系统硬体的连线和接口汇流排及单元 22

1.3.14案例中所需要的硬体单元 22

1.4嵌入系统软体 24

1.4.1产品的最终机器可实现软体 24

1.4.2用机器码编写软体 25

1.4.3用特定于处理器的彙编语言编写软体 26

1.4.4用高级语言编写软体 27

1.4.5使用作业系统的设备驱动程式和设备管理软体 29

1.4.6多任务调度和使用RTOS设备的软体设计 30

1.4.7设计嵌入式系统的软体工具 30

1.4.8示例中需要的软体工具 32

1.4.9软体设计模型 32

1.5示例嵌入式系统 33

1.6嵌入式片上系统(SOC)和内部VLSI电路 35

1.6.1用于携带型电话的SoC示例 35

1.6.2ASIP 36

1.6.3IP核 36

1.6.4嵌入GPP 37

1.6.5具有一个或者多个处理器的FPGA核 37

1.6.6示例SoC中的组成部分--智慧卡 38

第2章处理器和存储器组织 45

2.1处理器中的结构单元 46

2.2嵌入式系统的处理器选择 55

2.3存储器设备 58

2.3.1ROM：使用方法、形式和变种 59

2.3.2RAM设备 60

2.4嵌入式系统的存储器选择 61

2.5程式段和块的存储器分配及系统的存储器映射 64

2.5.1各种存储器段中的函式、过程、数据和堆叠 64

2.5.2不同数据结构和数据集合元素的存储器块 66

2.5.3存储器映射 71

2.5.4内部设备和I/O设备在映射中的地址 77

2.6直接存储器访问 79

2.7处理器、存储器和I/O设备的接口 80

第3章设备网路的设备和汇流排 87

3.1I/O设备 88

3.1.1I/O设备的类型和示例 88

3.1.2串列设备的同步、準同步和异步通信 90

3.1.3内部串列通信设备的示例 93

3.1.4并口设备 95

3.1.5设备连线埠的複杂接口特性 97

3.2定时器和计数设备 98

3.3互连的多个设备之间通过I2C、CAN和高级I/O汇流排进行串?型ㄐ?102

3.3.1I2C汇流排 102

3.3.2CAN汇流排 103

3.3.3USB汇流排 105

3.3.4先进的串列高速汇流排 105

3.4多个互连I/O设备之间通过ISA、PCI、PCI-X和高级汇流排进行的计算机

或者主机系统并行通信 106

3.4.1ISA汇流排 106

3.4.2PCI和PCI/X汇流排 107

3.4.3高级并行高速汇流排 108

第4章设备驱动程式和中断服务机制 115

4.1设备驱动程式 117

4.1.1不使用ISR的设备服务 117

4.1.2设备驱动程式ISR 118

4.1.3设备驱动程式 120

4.1.4作为设备驱动和网路函式的Linux内幕 121

4.1.5编写系统中的物理设备驱动ISR 122

4.1.6虚拟设备 123

4.2系统中的并口设备驱动程式 124

4.3系统中的串口设备驱动程式 130

4.4内部可程式定时设备的设备驱动程式 134

4.5中断服务(处理)机制 135

4.5.1硬体和软体相关的中断源 135

4.5.2软体错误相关的硬体中断 135

4.5.3软体指令相关的中断源 137

4.5.4内部设备相关的硬体中断 138

4.5.5中断向量 138

4.5.6根据可禁止和不可禁止的中断分类 138

4.5.7所有可禁止中断源的激活(未禁止)和禁用(禁止) 139

4.5.8中断挂起暂存器或者状态暂存器 139

4.6上下文和上下文切换周期、最终期限和中断延迟 139

4.6.1上下文、延迟和最终期限 139

4.6.2从上下文保存的角度对处理器中断服务机制的分类 143

4.6.3使用DMA通道帮助缩短中断延迟周期 144

4.6.4满足服务最终期限的优先权分配 144

4.6.5硬体优先权的软体覆盖 145

第5章编程概念及C与C++的嵌入式编程 150

5.1用彙编语言和高级语言C进行软体编程 151

5.2C程式中的元素：头档案、源档案以及预处理指令 152

5.2.1用于包含档案的include指令 152

5.2.2源档案 154

5.2.3配置档案 154

5.2.4预处理指令 154

5.3程式元素：宏与函式 154

5.4程式元素：数据类型、数据结构、修饰符、语句、循环和指针 156

5.4.1数据类型 156

5.4.2使用数据结构：伫列、堆叠、鍊表和树 156

5.4.3修饰符 158

5.4.4条件语句、循环语句以及无限循环语句 159

5.4.5指针和NULL指针 161

5.4.6函式调用 163

5.4.7主程式中按照循环顺序进行的多函式调用 164

5.4.8函式指针、函式伫列和中断服务例程伫列 166

5.5伫列 167

5.5.1伫列 167

5.5.2实现网路协定的伫列 170

5.5.3发生中断时函式的排列 172

5.5.4网路中进行流控制的FIPO伫列 174

5.6堆叠 175

5.7鍊表与有序鍊表 178

5.7.1鍊表 178

5.7.2活动设备驱动器(软体时钟)的鍊表 186

5.7.3就绪鍊表中的任务鍊表 187

5.8C++嵌入式编程 189

5.8.1面向对象的编程 189

5.8.2C++的嵌入式编程 189

5.9用Java进行嵌入式编程 191

5.9.1什幺时候用Java编程 191

5.9.2Java的缺点 191

5.10C程式编译器与交叉编译器 193

5.11嵌入式C/C++的原始码工程管理工具 194

5.12存储器需求的最佳化 194

第6章单处理器和多处理器系统软体开发过程中的程式建模概念 201

6.1软体实现之前对软体分析过程的建模 202

6.1.1数据流图在程式分析中的用法 202

6.1.2用于程式分析的控制数据流图的用法 204

6.2用于事件控制或者回响时间受到约束的实时程式的编程模型 205

6.2.1有限状态机模型 205

6.2.2Petri网模型 209

6.3多处理器系统的建模 215

6.3.1多处理器系统中的问题 216

6.3.2模型 217

6.3.3同步数据流图模型 218

6.3.4同构的同步数据流图模型 219

6.3.5无环优先扩展图模型 220

6.3.6定时的Petri网和扩展预测/转换网模型 221

6.3.7多执行绪图系统模型 222

6.3.8图和Petri网在多处理器系统中的套用 223

第7章嵌入式软体开发过程中的软体工程实践 233

7.1软体的算法複杂度 234

7.2软体开发生命周期及其模型 236

7.2.1软体开发过程中的线性顺序模型(瀑布模型或者生命周期模型) 236

7.2.2RAD模型 237

7.2.3增量模型 237

7.2.4并发模型 238

7.2.5基于组件(面向对象)的软体开发过程模型 238

7.2.6基于第四代工具的软体开发过程模型 238

7.2.7基于面向对象和基于第四代工具的方法 239

7.3软体分析 239

7.4软体设计 241

7.5软体实现 242

7.6软体测试、确认以及调试 243

7.6.1测试、验证以及确认 243

7.6.2调试 246

7.7软体开发过程中的实时程式设计问题 248

7.7.1在需求和规範的分析中存在的问题 248

7.7.2设计和实现中存在的问题 249

7.7.3系统集成中的问题 249

7.7.4测试中的问题 249

7.8软体项目管理 250

7.8.1项目管理 250

7.8.2项目测度 251

7.9软体维护 253

7.10统一建模语言(UML) 255

第8章进程间通信与进程、任务和执行绪的同步 265

8.1应用程式中的多个进程 266

8.1.1进程 266

8.1.2任务 266

8.1.3执行绪 268

8.1.4通过函式、ISR和任务的特徵进行区分 269

8.2多任务和多例程的数据共享问题 270

8.2.1数据共享问题及其解决方案 270

8.2.2对任务或者任务的临界段使用信号量 271

8.2.3优先权?怪梦侍夂退浪?榭?279

8.3进程间通信 280

8.3.1信号 281

8.3.2信号量标识或者互斥体用作资源键(用于进程的资源加锁和解锁) 281

8.3.3讯息伫列 282

8.3.4信箱 284

8.3.5管道 285

8.3.6虚拟(逻辑)套接字 287

8.3.7远程过程调用(RPC) 287

第9章实时作业系统 292

9.1作业系统服务 293

9.1.1目标 293

9.1.2结构 294

9.1.3核心 295

9.1.4进程管理 296

9.1.5存储器管理 297

9.1.6设备管理 298

9.1.7档案系统的组织和实现 300

9.2I/O子系统 302

9.3网路作业系统 302

9.4实时作业系统与嵌入式作业系统 304

9.4.1实时作业系统 304

9.4.2在嵌入式系统中何时需要RTOS 304

9.4.3RTOS的多任务调度管理 306

9.4.4实时系统中通过RTOS进行的多任务调度 308

9.5RTOS环境中的中断例程：RTOS的中断源调用处理 309

9.5.1通过中断源直接调用ISR 310

9.5.2通过中断源以及调度任务的暂时挂起，直接调用RTOS 311

9.5.3通过中断源以及RTOS对任务和ISR的调度，直接调用RTOS 311

9.6RTOS任务调度模型，作为性能测度的中断延迟和任务回响时间 311

9.6.1使用就绪任务循环伫列的协作轮转调度 312

9.6.2使用按照优先权约束排序列表的就绪任务的协作调度 313

9.6.3时间分片的循环调度(速率单调的协作调度) 315

9.6.4调度程式控制的抢占式调度模型策略 316

9.6.5抢占式调度程式提供的临界段服务 318

9.6.6任务的固定(静态)实时调度 320

9.6.7调度算法中的优先权分配 320

9.6.8使用机率定时Petri网(随机)和多执行绪图(MTG)的高级调度算法 321

9.7周期、零散以及非周期任务的调度模型的性能测度 321

9.7.1使用CPU负载作为性能尺度 321

9.7.2零散任务模型 322

9.8为RTOS的标準化和任务内部通信函式採用的IEEE标準POSIX1003.1B 322

9.9抢占式调度程式的基本操作及其在处理器上预期耗费的时间 324

9.10用于进程间、ISR间、OS函式间和任务之间同步及资源管理的15条策略 325

9.11嵌入式LINUX的内部组织：设备驱动程式和嵌入式系统的LINUX核心 326

9.12作业系统的安全问题 329

9.13移动式作业系统 330

第10章实时作业系统编程工具：MicroC/OS-II和VxWorks 334

10.1测试稳定且调试合格的实时作业系统的必要性 335

10.2μC/OS-II 337

10.2.1RTOS系统级函式 338

10.2.2任务服务函式及其使用範例 341

10.2.3时间延迟函式 347

10.2.4函式相关的存储器分配 349

10.2.5信号量相关函式 351

10.2.6信箱相关函式 363

10.2.7伫列相关函式 372

10.3VxWorks 381

10.3.1基本特性 382

10.3.2系统库头档案中的任务管理库 384

10.3.3VxWorks系统函式和系统任务 388

10.3.4进程(任务)间通信函式 391

第11章RTOS编程案例研究 405

11.1使用MUCOSRTOS对朱古力自动售卖机编码 406

11.1.1案例定义、多任务及其函式 406

11.1.2创建任务、函式和IPC 408

11.1.3编码步骤示例 411

11.2使用RTOSVxWorks将套用层位元组流传送到TCP/IP网路上 420

11.2.1案例定义、多任务及其函式 421

11.2.2创建任务、函式和IPC 424

11.2.3编码步骤示例 425

11.3汽车自适应巡航控制系统的嵌入式系统 443

11.4智慧卡中的嵌入式系统 456

11.4.1嵌入式硬体 457

11.4.2嵌入式软体 458

第12章嵌入式系统中的软硬体协同设计 472

12.1嵌入式系统项目管理 473

12.2系统开发过程中嵌入式系统设计和协同设计问题 474

12.2.1嵌入式系统开发过程的目标 474

12.2.2行动计画 474

12.2.3完整的规範和系统需求 475

12.2.4原理设计 476

12.2.5软硬体布局设计 477

12.2.6详细设计 478

12.2.7实现工具 478

12.2.8测试 479

12.3嵌入式系统开发阶段中的设计周期 479

12.4目标系统或其仿真器和内置电路仿真器(ICE) 480

12.4.1使用目标系统 480

12.4.2仿真器和ICE 481

12.4.3用于将最终代码下载到ROM中的设备编程器 483

12.5嵌入式系统开发中的软体工具 483

12.5.1代码生成工具(彙编器、编译器、载入器和连结器) 483

12.5.2模拟器 484

12.5.3嵌入式系统的原型开发、测试和调试工具 486

12.5.4集成开发环境 487

12.5.5存储器、处理器敏感程式和设备驱动程式 489

12.5.6动态程式库 489

12.6示波器和逻辑分析仪在系统硬体测试中的使用 490

12.6.1逻辑探测器或者LED测试 490

12.6.2示波器 490

12.6.3逻辑分析仪 491

12.6.4位率测量仪 491

12.6.5用于ROM调试的系统监控代码 492

12.7嵌入式系统设计中的问题 492

12.7.1选择合适的平台 492

12.7.2嵌入式系统处理器的选择 493

12.7.3需要考虑的因素和必需的特性 494

12.7.4软硬体权衡 495

12.7.5性能建模 495

12.7.6性能加速器 496

12.7.7嵌入式系统中OS的移植问题 496

附录ACISC和RISC处理器体系结构和指令集示例 504

A.1CISC和RISC处理器的指令及其处理 504

A.1.1指令和数据的格式 504

A.1.2定址模式 505

A.1.3指令集 506

A.1.4CISC和RISC体系结构 507

A.2指令集示例--ARM7 508

A.3ARM处理器的彙编语言程式示例 510

附录B嵌入式系统高性能处理器 511

B.1ARM处理器示例 511

B.2高性能处理器示例 514

B.3加速器 515

附录C嵌入式系统8/16/32位微处理器及其体系结构概述 517

C.1Intel、Motorola和PIC系列微控制器的体系结构概述 517

C.2Motorola系列CISC和RISC的新一代微控制器 519

附录D嵌入式数位讯号处理器 522

D.1数位讯号处理器的体系结构 522

D.2DSP处理器和传统处理器的比较 524

D.3定点运算和浮点运算的比较 525

D.4嵌入式系统的DSP 525

D.4.1TMS320C2000TM平台 526

D.4.2TMS320C5000TM平台 526

D.4.3TMS320C6000TM平台 526

D.4.4DSP的TMS320C24x和C28X代产品 527

D.4.5TMS320C54x和TMS320C55x代DSP 528

D.4.6TMS320C62x、64x和C67x代DSP 529

D.4.7RISC环境下的OMAP5910嵌入式处理器DSP 530

D.4.8基于SoC的解决方案TexasDSPTMS320DM310 530

附录E嵌入式系统套用的新型处理器 532

附录F串列和并行汇流排 537

F.1新的串列汇流排标準(USB2.0，IEEE1394) 537

F.2新的并行汇流排标準(CompactPCI、PCI-X) 537

附录G嵌入式系统中的设备 539

G.1各种形式的ROM设备 539

G.2ROM设备编程器 540

G.2.1二进制映像 540

G.2.2MotorolaS-Record格式 540

G.2.3IntelHex-File格式 541

G.2.4设备编程器的编程方法 542

G.3RAM设备 544

G.3.1静态和动态RAM 544

G.3.2EDORAM 544

G.3.3SDRAM 545

G.3.4RDRAM 545

G.3.5参数化的分散式RAM 545

G.3.6参数化的块RAM 545

G.4微控制器中的并口 545

G.5串列通信设备 546

G.5.1Motorola68HC11中的SPI和SCI 546

G.5.2微控制器中的串列通信设备 547

G.6微处理器中的定时器 548

G.7各种处理器系列中的中断源及其控制 550

G.880x86处理器的中断 552

G.968HC11中的中断 552

G.9.1中断服务 552

G.9.2中断源 553

附录H嵌入式系统体系结构、编程和设计中的重要内容 554

H.1推荐使用的教学大纲 554

H.2CDAC嵌入式系统课程教学大纲涉及的内容 556