嵌入式系統開發與套用：基於Cortex-M3核心的Stellaris微控制器

《嵌入式系統開發與套用：基於Cortex-M3核心的Stellaris微控制器》是由王黎明、閆曉玲、夏立、卜樂平編著，2013年清華大學出版社出版的21世紀高等學校嵌入式系統專業規劃教材。該教材可作為大專、本科院校自動化、機電、儀器儀表、自動控制等專業以及工業控制網路等相關課程的教材或教學參考書，也可供從事工業控制網路系統設計和產品研發的工程技術人員參考。

全書共12章。首先介紹了嵌入式系統的概念。其次介紹了程式的編譯、測試，提供了基礎、環境、工具支持的嵌入式開發的集成開發環境及驅動庫。然後從Stellaris處理器最小硬體系統以及經典的電路設計為基礎，介紹了相關外圍接口的開發與套用，包括硬體類型的定義、位帶操作、系統控制接口、系統節拍定時器、通用輸入/輸出接口、Flash內部匯流排讀寫、通用定時器控制、看門狗操作、中斷控制、脈寬調製器、電壓比較器、ADC採樣、互聯IC匯流排、同步串列通信、CAN匯流排接口、乙太網通信等，介紹了μC/OS-Ⅱ實時多任務作業系統在處理器上的移植及套用，最後以標準化採集控制模組作為典型的套用系統，給出了其硬體電路設計和程式實現。

基本介紹

• 書名：嵌入式系統開發與套用：基於Cortex-M3核心的Stellaris微控制器
• 作者：王黎明、閆曉玲、夏立、卜樂平
• ISBN：9787302319825
• 類別：21世紀高等學校嵌入式系統專業規劃教材
• 頁數：571頁
• 出版社：清華大學出版社
• 出版時間：2013年8月1日
• 裝幀：平裝
• 開本：16開
• 字數：898千字
• CIP核字號：2013078235

成書過程

修訂過程

該教材由王黎明、閆曉玲、夏立、卜樂平編著，在編寫過程中，周立功單片機發展有限公司為該教材的完成提供了測試環境、相應的硬體測試平台以及該教材的部分內容和代碼。

出版工作

2013年8月1日，該教材由清華大學出版社出版。

出版社工作人員

責任編輯	封面設計	責任校對	責任印製
高買花、薛陽	常雪影	焦麗麗	劉海龍

內容簡介

全書共12章。

第1章為基礎部分。首先介紹了嵌入式系統的概念和組成，包括嵌入式平台的硬體構架、板級支持包、嵌入式系統上的應用程式；然後介紹了嵌入式系統的開發流程、ARM處理器的分類、結構和選型，重點介紹了Cortex-M3核心的暫存器組、中斷向量表、存儲器映射、存儲器保護單元；最後簡述了嵌入式作業系統的種類以及選型規則。

第2章介紹了嵌入式系統的集成開發環境及驅動庫。首先介紹了嵌入式系統開發的一般過程，包括目標平台創建、編譯、連線、定址過程；接著介紹了該舉措主要使用的開發工具鏈IAR，主要包括IAREWARM的安裝、驅動庫的安裝、EWARM中創建新項目、編譯運行程式以及將IAR的工程移植到Keil工程上的方法。

第3章主要介紹了Stellaris處理器的結構、接口特性、處理器接口表以及Stellaris處理器最小系統設計，最後以LM3S8962處理器為例列舉了基本電路設計，包括濾波電路、復位電路、晶振時鐘、乙太網接口、RS-232、RS-485、CAN匯流排、電源模組、ADC採樣、LED及按鍵、蜂鳴器、I2C擴展開關量輸入、I2C擴展開關量輸出、繼電器輸出等電路設計。

第4章主要介紹了嵌入式編程的相關概念、處理器內部及外圍接口的實現方法，主要包括硬體類型的定義位帶操作、系統控制接口、系統節拍定時器、通用輸入/輸出接口、Flash內部匯流排讀寫、通用定時器控制、看門狗操作、中斷控制、脈寬調製器以及電壓比較器的使用。其中Cortex-M3核心的系統節拍定時器、中斷控制、位帶操作與其他處理器有很大的不同。

第5章主要介紹了嵌入式技術中模擬量的採樣變換，首先介紹了Stellaris微控制器核心集成的ADC的特性、功能，然後介紹了ADC使用過程中應注意的事項，接下來列出了ADC的常用庫函式實現了包括ADC單通道觸發採樣、多通道採樣、內部溫度感測器採樣、定時器觸發採樣、外部觸發採樣等幾個ADC採樣的例子，最後分析了ADC的軟硬體過採樣及實現技術。

第6章主要介紹了UART異步串口通信的相關知識，包括UART異步串列接口的功能、主要的套用庫函式，通過實例程式列舉了UART串口的使用及實現方法，主要包括簡單收發、傳送FIFO的工作原理、傳送FIFO中斷原理、以FIFO中斷方式傳送、以FIFO中斷方式接收等。

第7章主要介紹了互聯IC匯流排的相關設計及套用，包括I2C協定的基礎、功能，I2C匯流排的主要驅動庫函式，最後分析了部分案例的實現，主要包括I2C主機模式驅動程式、I2C晶片PCF8574的I/O擴展、I/O擴展晶片PCA9554、I2C存儲器器件CAT25C02的讀取等套用例程。

第8章主要介紹了同步串列通信的相關內容，首先介紹了TI的同步串列幀格式、FreescaleSPI幀格式、Microwire幀格式，以及SSI通信的位速率和幀格式、FIFO操作、SSI中斷，然後介紹了SSI通信的主要庫函式，包括配置與控制、數據收發、中斷控制等，最後給出了兩個SSI通信的例程。

第9章主要介紹了CAN匯流排接口模組的套用，包括CAN匯流排的分層結構及通信協定、CAN匯流排接口電路設計、CAN匯流排收發器設計以及外設驅動函式的分析，給出了CAN模組的套用流程及封裝函式，最後介紹了與PC通信的CAN通信工具的使用方法。

第10章主要介紹了物聯網的基礎——乙太網接口通信的實現，主要針對LwIP進行說明，包括回調函式、應用程式狀態設定函式、建立TCP連線函式、TCP數據傳送函式、TCP數據接收函式、應用程式輪詢的工作原理及相關函式、關閉與中止連線函式、底層TCP接口、UDP接口函式。最後給出了應用程式實例，包括UDP伺服器通信、UDP客戶端通信、Web伺服器、TCP客戶端通信等程式。

第11章主要介紹了μC/OS-Ⅱ實時多任務作業系統在處理器上的移植及套用，首先介紹了μC/OS-Ⅱ模板的結構及使用應注意的問題，然後給出了套用模板的例程分析，介紹了μC/OS-Ⅱ作業系統任務之間通信的方式，如信號量、信箱、訊息佇列等。

第12章是套用案例分析，包括人機接口、高精度ADC採樣、多種感測器接入、PWM控制電機、標準化採集模組等。

教材目錄

第1章嵌入式系統基礎; 1.1嵌入式系統的概念; 1.2嵌入式系統的組成; 1.2.1嵌入式平台的硬體構架; 1.2.2板級支持包和嵌入式系統; 1.2.3嵌入式系統上的應用程式; 1.3嵌入式系統的開發流程和優勢; 1.4ARM微處理器概述; 1.4.1ARM——Advanced RISC Machines; 1.4.2ARM微處理器的套用領域及特點; 1.4.3ARM微處理器的結構; 1.4.4ARM微處理器的套用選型; 1.5典型的嵌入式作業系統; 1.5.1常用的嵌入式作業系統; 1.5.2嵌入式作業系統類型的選擇; 1.5.3嵌入式作業系統的選擇標準; 1.6小結; 1.7思考題; 第2章集成開發環境及驅動庫; 2.1嵌入式軟體開發過程; 2.1.1創建過程; 2.1.2編譯; 2.1.3連線; 2.1.4定址; 2.1.5調試過程; 2.2IAR EWARM安裝; 2.3安裝驅動庫; 2.3.1下載最新庫檔案; 2.3.2拷貝連線器命令檔案; 2.3.3拷貝驅動庫頭檔案; 2.3.4拷貝底層驅動函式館; 2.4EWARM創建新項目; 2.4.1建立一個項目檔案目錄; 2.4.2新建工作區; 2.4.3生成新項目; 2.4.4添加/新建檔案; 2.4.5通用選項設定; 2.4.6C/C++編譯器選項設定; 2.4.7Assembler選項設定; 2.4.8Linker選項設定; 2.4.9Debugger選項設定; 2.5編譯和運行應用程式; 2.5.1編譯連線處理; 2.5.2查看MAP檔案; 2.5.3載入應用程式; 2.5.4應用程式的相關調試; 2.5.5生成.hex檔案; 2.5.6探究編譯連線; 2.6將IAR的工程移植到Keil工程; 2.7小結; 2.8思考題; 第3章嵌入式微處理器及電路設計; 3.1Stellaris處理器的結構概述; 3.2Cortex-M3的Stellaris微處理器; 3.2.1處理器的分類; 3.2.2StellarisWare軟體; 3.3Stellaris處理器最小系統; 3.4LM3S8962接口特性; 3.5典型接口電路的分析與設計; 3.5.1主處理器電路; 3.5.2處理器濾波電路; 3.5.3復位接口電路; 3.5.4主處理器時鐘接口; 3.5.5乙太網接口; 3.5.6實時時鐘及供電電路; 3.5.7I2C存儲器EEPROM電路; 3.5.8I2C數字溫度採集接口; 3.5.9I2C擴展開關量輸入電路; 3.5.10開關量隔離輸入電路; 3.5.11I2C擴展開關量輸出電路; 3.5.12開關量隔離輸出電路; 3.5.13繼電器輸出電路組1; 3.5.14繼電器輸出電路組2; 3.5.15I2C擴展輸入/輸出電路; 3.5.16UART串列RS232電路; 3.5.17UART串列RS485接口電路; 3.5.18紅外線串口電路; 3.5.19電路電源模組; 3.5.20ADC採樣電路; 3.5.21LED及按鍵電路; 3.5.22SPI驅動數碼管接口; 3.5.23SPI驅動EEPROM接口; 3.5.24SPI驅動TFT LCD接口; 3.5.25PWM驅動電機電路; 3.5.26JTAG接口電路; 3.5.27擴展接口; 3.6小結; 3.7思考題; 第4章接口功能單元的開發與套用; 4.1嵌入式編程; 4.1.1空的main()函式; 4.1.2實用工程模板; 4.1.3LED閃爍發光; 4.1.4輸出hello world; 4.1.5UART控制台; 4.2硬體類型定義; 4.2.1硬體類型定義簡介; 4.2.2硬體暫存器訪問; 4.2.3硬體暫存器訪問實例; 4.2.4位帶操作; 4.2.5位帶操作實例; 4.3系統控制; 4.3.1電源結構與LDO控制; 4.3.2時鐘控制; 4.3.3復位控制; 4.3.4外設控制; 4.3.5睡眠與深度睡眠; 4.3.6雜項功能; 4.3.7中斷操作; 4.3.8時鐘驗證; 4.4系統節拍定時; 4.4.1系統節拍SysTick的功能簡介; 4.4.2系統節拍SysTick的基本操作; 4.4.3系統節拍SysTick的中斷控制; 4.4.4模擬PC按鍵重複特性實例; 4.5通用輸入/輸出; 4.5.1通用I/O口兩種套用電路; 4.5.2GPIO概述; 4.5.3特殊引腳及暫存器; 4.5.4GPIO庫函式; 4.5.5兩隻LED交替閃爍控制實例; 4.5.6KEY控制LED實例; 4.6Flash內部匯流排讀寫; 4.6.1Nor Flash簡介; 4.6.2Nor Flash引腳定義; 4.6.3Nand Flash簡介; 4.6.4Nand Flash引腳定義; 4.6.5Flash功能概述; 4.6.6Flash庫函式; 4.6.7Flash簡單擦寫實例; 4.6.8Flash當做EEPROM操作實例; 4.7通用定時器; 4.7.1Timer總體特性; 4.7.2Timer功能概述; 4.7.3Timer庫函式; 4.7.4定時器32位單次觸發定時實例; 4.7.5定時器32位周期定時實例; 4.7.6定時器16位單次觸發定時實例; 4.7.7定時器16位周期定時實例; 4.7.8定時器16位輸入邊沿計數捕獲實例; 4.7.9定時器16位輸入邊沿定時捕獲實例; 4.7.10定時器16位PWM實例; 4.7.11定時器PWM套用蜂鳴器發聲實例; 4.7.12定時器模組16位PWM演奏音樂實例; 4.8看門狗; 4.8.1看門狗功能簡述; 4.8.2外部看門狗; 4.8.3WatchDog功能概述; 4.8.4正確使用看門狗的方法; 4.8.5WatchDog庫函式; 4.8.6WatchDog復位實例; 4.8.7WatchDog作為普通定時器實例; 4.9中斷控制; 4.9.1中斷的基本概念; 4.9.2CortexM3核心異常與NVIC; 4.9.3Stellaris中斷基本編程方法; 4.9.4中斷庫函式; 4.9.5GPIO中斷控制實例; 4.9.6中斷優先權控制實例; 4.10脈衝寬度調製; 4.10.1PWM總體特性; 4.10.2PWM功能概述; 4.10.3PWM庫函式; 4.10.4產生兩路PWM信號實例; 4.10.5產生兩路帶死區的PWM實例; 4.10.6PWM發生器中斷實例; 4.11模擬比較器; 4.11.1電壓比較器; 4.11.2COMP功能; 4.11.3COMP庫函式; 4.11.4內部參考源輸出驅動LED實例; 4.11.5外部參考源輸出觸發中斷實例; 4.12小結; 4.13思考題

第5章模數轉換ADC; 5.1ADC總體特性; 5.2ADC功能描述; 5.3ADC套用注意事項; 5.4ADC庫函式; 5.4.1ADC採樣序列操作; 5.4.2ADC處理器觸發; 5.4.3ADC過採樣; 5.4.4ADC中斷控制; 5.5ADC模組的套用; 5.5.1ADC模組初始化; 5.5.2ADC開始採樣; 5.6ADC實例分析; 5.6.1處理器觸發ADC採樣實例; 5.6.2ADC內置的溫度感測器實例; 5.6.3處理器觸發多通道ADC採樣實例; 5.6.4定時器溢出觸發ADC採樣實例; 5.6.5差分輸入ADC採樣實例; 5.6.6ADC硬體過採樣實例; 5.6.7ADC軟體過採樣實例; 5.7過採樣原理與實現; 5.7.1平均; 5.7.2過採樣實現; 5.8小結; 5.9思考題; 第6章通用異步收發器; 6.1UART異步串口概述; 6.2UART總體特性; 6.3UART功能概述; 6.4UART庫函式; 6.4.1配置與控制; 6.4.2使能與禁止; 6.4.3數據收發; 6.4.4中斷控制; 6.5UART實例分析; 6.5.1UART簡單數據傳送實例; 6.5.2傳送FIFO工作原理及實例; 6.5.3傳送FIFO中斷原理及實例; 6.5.4以FIFO中斷方式傳送實例; 6.5.5以FIFO中斷方式接收實例; 6.5.6紅外線通信實例; 6.6小結; 6.7思考題; 第7章互聯IC匯流排; 7.1I2C協定基礎; 7.2I2C功能概述; 7.3I2C庫函式; 7.4I2C例程分析; 7.4.1I2C主機模式驅動程式; 7.4.2I2C晶片PCF8574的I/O擴展; 7.4.3I2C晶片PCA9554的I/O擴展; 7.4.4EEPROM存儲器CAT24C02; 7.5小結; 7.6思考題; 第8章同步串列數據通信; 8.1SSI總體特性; 8.2SSI通信協定; 8.2.1TI同步串列幀格式; 8.2.2Freescale SPI幀格式; 8.2.3Microwire幀格式; 8.3SSI功能概述; 8.3.1位速率和幀格式; 8.3.2FIFO操作; 8.3.3SSI中斷; 8.4SSI庫函式參考; 8.4.1配置與控制; 8.4.2數據收發; 8.4.3中斷控制; 8.4.4SSI常用的API函式; 8.5SSI驅動實例分析; 8.5.1SSI驅動靜態LED; 8.5.2SSI驅動動態LED; 8.6小結; 8.7思考題; 第9章CAN接口套用; 9.1CAN匯流排簡介; 9.2CAN的分層結構及通信協定; 9.2.1CAN的分層結構; 9.2.2CAN的通信協定; 9.3CAN匯流排接口套用電路; 9.3.1由嵌入式處理器上擴展CAN匯流排接口; 9.3.2CAN匯流排接口套用電路; 9.3.3收發器隔離電路設計; 9.4CAN模組特性及驅動庫函式; 9.4.1數據結構; 9.4.2枚舉類型; 9.4.3接口函式; 9.5CAN模組套用流程; 9.6CAN匯流排常用函式及例程; 9.6.1CAN匯流排常用的函式; 9.6.2收發數據; 9.6.3不同節點通信案例; 9.6.4CAN匯流排數據簡單傳送實例; 9.6.5CAN匯流排傳送ADC採樣數據實例; 9.6.6CAN匯流排接收數據實例; 9.7小結; 9.8思考題; 第10章LwIP的API接口及編程; 10.1Stellaris乙太網控制器; 10.2TCP/IP網路分層結構; 10.2.1各種協定所在的層; 10.2.2乙太網幀結構; 10.2.3數據進入協定棧時的封裝過程; 10.2.4IP首部數據格式; 10.2.5UDP封裝格式; 10.2.6乙太網數據幀的分用過程; 10.3Stellaris乙太網的收發FIFO; 10.4Stellaris乙太網的函式調用; 10.5乙太網接口電路; 10.6LwIP協定棧簡介; 10.7RAW API分析; 10.7.1應用程式狀態設定函式; 10.7.2建立TCP連線函式; 10.7.3TCP數據傳送函式; 10.7.4TCP數據接收函式; 10.7.5輪詢工作原理及相關函式; 10.7.6關閉與中止連線的函式; 10.7.7底層TCP接口; 10.7.8UDP接口函式; 10.8應用程式實例分析; 10.8.1UDP伺服器通信實例; 10.8.2UDP客戶端通信實例; 10.8.3Web伺服器實例; 10.8.4TCP客戶端通信實例; 10.9小結; 10.10思考題; 第11章μC/OS嵌入式實時作業系統; 11.1實時作業系統的核心; 11.1.1任務管理; 11.1.2任務間的通信和同步; 11.1.3存儲器管理; 11.1.4定時器和中斷管理; 11.2μC/OS-Ⅱ模板說明; 11.2.1移植模板的結構; 11.2.2模板使用的注意事項; 11.3μC/OS-Ⅱ模板使用實例; 11.3.1作業系統任務流程; 11.3.2操作步驟; 11.4中斷控制蜂鳴器; 11.4.1作業系統任務流程; 11.4.2操作步驟; 11.5μC/OS-Ⅱ任務之間的通信與同步方式; 11.5.1信號量; 11.5.2信箱; 11.5.3訊息佇列; 11.6小結; 11.7思考題; 第12章套用案例分析; 12.1人機互動接口; 12.1.1鍵盤接口; 12.1.2LED及鍵盤驅動; 12.1.3LCD1602互動; 12.1.4驅動240×320的TFT-LCD; 12.2高精度ADC採樣; 12.2.1串列ADC接口TLC2543; 12.2.2串列ADS7818數據採集; 12.3多種感測器接入實例; 12.3.1感測器DS1820測量溫度; 12.3.2數字感測器LM75A測量溫度; 12.3.3感測器TSL230測量光照度; 12.4PWM控制實例; 12.4.1直流電機控制; 12.4.2步進電機控制; 12.4.3SPWM逆變電源; 12.4.4PWM語音播放器; 12.5基於CAN匯流排的採集模組; 12.5.1通信協定; 12.5.2電路板實物; 12.5.3主函式分析; 12.5.4CAN收發報文函式; 12.5.5ADC及定時器配置函式; 12.6小結; 12.7思考題; 附錄書中常用術語縮寫解析; 參考文獻

（註：目錄排版順序為從左列至右列）

教學資源

該教材有配套教材——《嵌入式系統開發與套用實驗指導書：基於Cortex M3核心的Stellaris微控制器》。

書名	書號	出版社	出版時間	作者
《嵌入式系統開發與套用實驗指導書：基於Cortex M3核心的Stellaris微控制器》	9787302326540	清華大學出版社	2013.09.01	王黎明、夏立、卜樂平、閆曉玲

教材特色

該教材的立足點是基礎化、實用化、可操作性。該教材介紹Stellaris處理器外圍接口的開發方法（包括軟硬體及關鍵技術問題），以實例為基礎講述Stellaris處理器外圍接口的開發。

該教材部分篇幅講述了一些案例程式代碼，很多地方僅僅列出了一些關鍵的代碼，幫助讀者分析，次要的部分用省略號略過。同時書中的全部代碼都可以在配套資料中找到。書中略過很多基礎知識和原理的講解。

在科技術語方面，書中採用中英文結合的方式。多數縮寫和英文都在附錄中給出了對應的中文。書中採用中文術語進行描述，但是對於有些實在找不到準確中文表述的術語，則直接使用英文。

作者簡介

王黎明，男，海軍工程大學電氣工程學院副教授、碩士生導師，研究方向為電網自動化調度與管理技術、嵌入式系統設計與開發。

閆曉玲，海軍工程大學電氣工程學院教師。

夏立，男，海軍工程大學電氣工程學院教授、博士生導師，研究方向為電力系統監測與控制、系統監測與故障診斷。

卜樂平，海軍工程大學電氣工程學院教授、博士生導師，主要從事信號檢測與處理方向的研究。