嵌入式系統體系結構、編程與設計（第3版）

《嵌入式系統體系結構、編程與設計（第3版）》的原作者是Raj Kamal，由郭俊鳳翻譯，清華大學出版社出版。

基本介紹

• 中文名：嵌入式系統體系結構、編程與設計（第3版）
• 作者：[印] Raj Kamal
• 譯者：郭俊鳳
• 出版時間：2017年05月01日
• 出版社：清華大學出版社 
• ISBN：9787302468806
• 定價：98 元

內容

《嵌入式系統 體系結構、編程與設計(第3版)》將幫助讀者深入理解嵌入式系統軟硬體設計的基礎知識。本書通俗易懂，穿插大量圖形、示例、樣例代碼和系統設計案例，便於學生查閱和學習。 ◆　新版用更多篇幅講述嵌入式系統的設計和開發過程 ◆　包含學術界和研究人員感興趣的新技術領域，如片上系統設計、計算系統的高級體系結構、分散式聯網嵌入體系結構和車載技術 ◆　透徹闡述嵌入式硬體的體系結構、設計過程、設計方法、接口技術、匯流排、協定、硬體中斷、軟體中斷、嵌入式軟體編程、程式建模、進程間同步和實時作業系統 ◆　在示例的引導下全面分析廣泛使用的RTOS：μCOS-II、VxWorks、Windows CE、OSEK和實時Linux ◆　包含多個案例研究(朱古力自動售賣機、數位相機、TCP/IP堆疊創建、機器人管弦樂隊、自動巡航控制、智慧卡、在行動電話中輸入SMS)，呈現程式建模方法以及系統設計的軟體工程實踐

目錄

第1章 嵌入式系統簡介 1

1.1 嵌入式系統 2

1.1.1 系統 2

1.1.2 嵌入式系統 2

1.1.3 嵌入式系統和通用計算系統 3

1.2 嵌入系統中的處理器 5

1.2.1 微處理器 5

1.2.2 微控制器 6

1.2.3 ARM 8

1.2.4 RISC 8

1.2.5 CISC 9

1.2.6 SoC 9

1.2.7 數位訊號處理器(DSP) 9

1.2.8 專用處理器 9

1.3 系統中的嵌入式硬體

單元和設備 11

1.3.1 構建塊 11

1.3.2 嵌入板 16

1.4 嵌入式系統中的軟體和

程式語言概述 16

1.4.1 嵌入式軟體ROM映像 16

1.4.2 用機器碼編寫軟體 17

1.4.3 用特定於處理器的彙編

語言編寫軟體 18

1.4.4 用高級語言編寫軟體 18

1.5 嵌入式系統的設計過程 20

1.6 嵌入式系統的體系結構 21

1.7 嵌入式系統的模型 22

1.8 嵌入式系統的分類 24

1.9 嵌入式系統設計者需要

具備的技能 25

1.10 示例嵌入式系統 26

本章小結 28

關鍵字及其定義 28

複習題 32

實踐練習題 33

第2章 嵌入式系統的設計和開發過程 35

2.1 嵌入式片上系統(SoC)和

VLSI電路設計技術 36

2.1.1 SoC 36

2.1.2 VLSI電路設計技術 38

2.1.3 SoC或VLSI設計中

使用的ASIC 38

2.1.4IP核38

2.1.5多個處理器39

2.2複雜系統設計和處理器39

2.2.1複雜系統和微處理器39

2.2.2使用嵌入式處理器構建

複雜系統43

2.3嵌入式系統的構建過程44

2.4嵌入式系統的設計過程44

2.4.1設計過程中使用的概念44

2.4.2軟體設計過程45

2.4.3設計指標46

2.4.4設計過程中的抽象步驟47

2.5嵌入式系統設計中的挑戰48

2.6嵌入式系統設計中的挑戰：

最佳化設計指標49

2.7嵌入式軟體開發的

挑戰和問題51

2.8嵌入式系統中軟硬體的

協同設計52

2.8.1軟硬體的權衡54

2.8.2嵌入式系統中軟硬體協同設

計的挑戰：最佳化設計指標54

2.9嵌入式系統的設計技術54

2.9.1IC技術54

2.9.2VLSI技術56

2.10系統設計的形式化56

2.11設計過程和設計案例57

2.11.1朱古力自動售賣機(ACVM)57

2.11.2智慧卡59

2.11.3數位相機62

本章小結64

關鍵字及其定義65

複習題66

實踐練習題67

第3章8051、AVR和ARM微控制器、

現實中的接口和I/O匯流排69

3.1微控制器和微處理器簡介70

3.2嵌入式和外部存儲器設備70

3.3微控制器-8051的體系結構71

3.3.18051微控制器的硬體

體系結構71

3.3.2ATMEL89x51系列微控制器

硬體體系結構72

3.3.3ATMEL90Sxx系列73

3.3.4指令集73

3.3.5IO連線埠、電路以及IO編程76

3.3.6外部存儲器接口電路77

3.3.7計數器和定時器78

3.3.8串列數據通信輸入/輸出79

3.3.98051中的中斷80

3.4ATMELAVR微控制器80

3.5ARM微控制器82

3.6計算機系統匯流排83

3.6.1CPU/微處理器系統匯流排83

3.6.2存儲器設備接口86

3.7現實的接口88

3.7.1現實接口電路中的設備地址88

3.7.2I/O設備和組件的連線89

3.7.3I/O：管理數據90

3.7.4串列和並行I/O91

3.7.5設備中斷和IO93

3.8I/O性能93

3.9I/O匯流排94

3.9.1匯流排仲裁95

3.9.2菊花鏈方式96

3.9.3獨立匯流排請求方式96

3.9.4匯流排輪詢方式97

3.10面向網路的匯流排仲裁97

3.11匯流排98

3.11.1體系結構：單層、雙層和

多層98

3.11.2仲裁：集中式和分散式98

3.11.3定時99

3.11.4匯流排性能100

3.12多級匯流排100

本章小結101

關鍵字及其定義102

複習題105

實踐練習題105

第4章高級體系結構和處理器-

存儲器的組織107

4.1處理器和存儲器組織108

4.1.1Harvard存儲器體系結構108

4.1.2VonNeumann(Princeton)

存儲器體系結構110

4.1.3Harvard體系結構的

存儲器接口電路110

4.1.4通用存儲器接口電路110

4.2高級處理器體系結構介紹111

4.2.1處理器中的結構單元112

4.2.2高級處理器體系結構113

4.3處理器的組織115

4.3.1處理器組織方式：處理器的

CISC設計115

4.3.2處理器組織方式：處理器的

RISC設計116

4.4指令級並行性117

4.5INTELx86體系結構(8086、80386、80486和奔騰)119

4.5.180386的體系結構120

4.5.280486的體系結構120

4.5.3奔騰P5(80586)和P6的

體系結構120

4.6ARM120

4.7SHARC122

4.8存儲器類型和地址124

4.8.1合併存儲器124

4.8.2嵌入式存儲器126

4.8.3ROM變種126

4.8.4RAM、SRAM和DRAM128

4.8.5快閃記憶體129

4.8.6快閃記憶體卡130

4.9存儲器地址130

4.9.1將記憶體分配給程式段和塊130

4.9.2存儲器映射130

4.10存儲器層次結構和快取131

4.11性能指標132

4.11.1處理器的性能133

4.11.2存儲器的性能133

4.11.3嵌入式系統的性能133

4.12處理器和存儲器設備的

選擇134

4.12.1處理器的選擇134

4.12.2處理器或微控制器版本的

選擇134

4.12.3微控制器版本的選擇135

本章小結135

關鍵字及其定義136

複習題138

實踐練習題139

第5章IO設備、通信匯流排和分散式

聯網的嵌入式體系結構141

5.1I/O的類型和示例142

5.1.1同步串列輸入143

5.1.2同步串列輸出144

5.1.3同步串列輸入/輸出144

5.1.4異步串列輸入144

5.1.5異步串列輸出145

5.1.6半雙工與全雙工145

5.1.7串列I/O示例145

5.1.8並口146

5.1.9串並輸出和輸入146

5.1.10並行IO的示例146

5.2串列通信設備147

5.2.1串列設備的同步、準同步

和異步通信147

5.2.2UART模式(協定)異步

串列通信148

5.2.3IBMPCCOM連線埠上的

串列RS232C通信150

5.2.4HDLC協定151

5.2.5同步串列數據通信的SPI

連線埠152

5.2.6異步UART串列數據

通信的SCI連線埠153

5.2.7同步和異步串列數據

通信的串列接口(SI)153

5.2.8SDIO、SPI1-SD和4-SD

數據通信154

5.3並行設備連線埠155

5.3.1與開關和小鍵盤連線的

並行連線埠156

5.3.2與編碼器連線的並行連線埠157

5.3.3與步進電機連線的

並行連線埠158

5.3.4與LCD控制器連線的

並行連線埠158

5.3.5與觸控螢幕連線的並行連線埠159

5.4設備連線埠的複雜接口特性159

5.5無線設備160

5.6定時器和計數設備160

5.6.1定時設備161

5.6.2計數設備161

5.6.3帶計數設備的定時器161

5.6.4兩個實例之間的時間間隔161

5.6.5預設時間的輸出動作161

5.6.6軟體定時器162

5.6.7watchdog定時器162

5.6.8實時時鐘162

5.7分散式網路嵌入式

系統結構163

5.7.1匯流排的優點163

5.7.2匯流排的缺點164

5.8串列匯流排通信協定164

5.8.1I2C匯流排165

5.8.2CAN匯流排166

5.8.3USB匯流排168

5.8.4FireWire——IEEE1394

匯流排標準169

5.8.5先進的串列高速匯流排170

5.9並行匯流排設備協定——

使用ISA、PCI、PCI-X和

高級匯流排的並行通信網路170

5.9.1ISA和EISA匯流排171

5.9.2PCI和PCI/X匯流排171

5.9.3ARM匯流排173

5.9.4高級並行高速匯流排174

5.10支持Internet的系統——

網路協定174

5.10.1超文本傳輸協定(HTTP)175

5.10.2傳輸控制協定(TCP)176

5.10.3用戶數據報協定(UDP)176

5.10.4Internet協定(IP)176

5.10.5Ethernet(乙太網)177

5.11無線和移動系統協定177

5.11.1紅外數據協會(IrDA)177

5.11.2藍牙178

5.11.3802.11179

5.11.4ZigBee180

本章小結180

關鍵字及其定義181

複習題185

實踐練習題186

第6章設備驅動程式和中斷

服務機制189

6.1不使用中斷服務機制的

編程式I/O的設備訪問

連線埠189

6.1.1IntelI/O結構192

6.1.2同步193

6.1.3傳輸率194

6.1.4延遲194

6.2中斷驅動的輸入輸出195

6.3ISR的概念196

6.4中斷源197

6.5硬體中斷198

6.6軟體中斷199

6.6.1異常和異常處理程式200

6.6.2信號和信號處理程式201

6.7中斷服務機制202

6.7.1阻止中斷的溢出202

6.7.2禁用中斷203

6.7.3不可禁止的中斷和可

禁止的中斷203

6.7.4中斷狀態暫存器或中

斷掛起暫存器204

6.7.5中斷向量204

6.8多中斷206

6.8.1多中斷調用206

6.8.2硬體分配的優先權206

6.8.3軟體重寫硬體優先權，以

滿足服務的最後期限207

6.8.4啟用和禁用中斷，重寫硬體

優先權，以滿足服務的最後

期限207

6.9中斷服務執行緒作為二級

中斷處理程式207

6.10上下文和上下文切換周期208

6.11中斷延遲210

6.12中斷服務的最終期限211

6.13從上下文保存的角度對處理

器中斷服務機制的分類211

6.14直接存儲器訪問

驅動的I/O212

6.14.1DMA212

6.14.2同一中斷源生成多個快速

連續中斷時的DMA通道

使用212

6.14.3DMA控制器212

6.15設備驅動程式編程214

6.15.1編寫系統中的物理設備

驅動ISR215

6.15.2作業系統中的設備驅動

程式組件215

6.15.3用系統軟體函式模擬

物理設備215

6.15.4作為設備驅動和網路

函式的Linux內幕216

本章小結217

關鍵字及其定義218

複習題220

實踐練習題221

第7章編程概念及C、C++和

Java的嵌入式編程223

7.1用彙編語言(ALP)和高級

語言C進行軟體編程224

7.1.1彙編語言編程224

7.1.2高級語言編程224

7.2C程式中的元素：頭檔案、

源檔案以及預處理指令225

7.2.1用於包含檔案的include

指令226

7.2.2源檔案227

7.2.3配置檔案227

7.2.4預處理指令227

7.3程式元素：宏與函式227

7.4程式元素：數據類型、數據

結構、修飾符、語句、循環

和指針229

7.4.1數據類型229

7.4.2修飾符的使用230

7.4.3指針和NULL指針230

7.4.4使用數據結構：堆疊、佇列、

數組、鍊表、樹、管道、表

格和哈希表230

7.4.5堆疊232

7.4.6多個堆疊232

7.4.7數組233

7.4.8佇列233

7.4.9鍊表234

7.4.10循環佇列234

7.4.11優先佇列235

7.4.12管道235

7.4.13表和哈希表236

7.5循環、無限循環以及條件

語句237

7.6函式調用242

7.7按照循環順序進行的

多函式調用242

7.8函式指針和函式佇列244

7.9發生中斷時函式的排列和

中斷服務例程佇列245

7.10嵌入式C和C++：其他

功能246

7.10.1編譯器和最佳化247

7.10.2編程和彙編248

7.10.3暫存器的使用約定248

7.10.4定址選項和指令序列的

典型用法249

7.10.5過程調用和返回250

7.10.6參數的傳遞250

7.10.7檢索參數250

7.10.8按值傳遞的臨時變數251

7.11面向對象編程251

7.12C++嵌入式編程251

7.12.1C++的優點251

7.12.2C++的缺點252

7.13嵌入式C++程式的代碼

最佳化以消除缺點253

7.14用Java進行嵌入式編程253

7.14.1Java編程基礎253

7.14.2使用Java編程的優點255

7.14.3Java的缺點255

本章小結255

關鍵字及其定義256

複習題259

實踐練習題259

第8章程式建模的概念261

8.1程式模型262

8.2基於數據流圖的程式模型265

8.2.1數據流圖266

8.2.2控制數據流圖模型267

8.2.3同步數據流圖(SDFG)模型269

8.3用於事件控制程式的

狀態機編程模型270

8.3.1狀態機編程模型270

8.3.2有限狀態機(FSM)模型271

8.3.3FSM狀態表272

8.4多處理器系統的建模275

8.4.1多處理器系統275

8.4.2圖在多處理器系統中的

套用：劃分和調度278

8.5UML建模279

本章小結283

關鍵字及其定義284

複習題285

實踐練習題285

第9章實時作業系統I：進程間通信與

進程、任務和執行緒的同步287

9.1應用程式中的多個進程288

9.1.1進程288

9.1.2進程控制塊(PCB)289

9.1.3進程上下文289

9.2應用程式中的多執行緒290

9.2.1進程的多個執行緒290

9.2.2多執行緒的編程290

9.2.3搶占式和非搶占式291

9.3任務291

9.4任務和執行緒狀態292

9.4.1調度執行緒和執行緒狀態292

9.4.2掛起的執行緒293

9.4.3上下文切換293

9.5任務和數據294

9.5.1上下文294

9.5.2上下文切換295

9.5.3任務控制塊295

9.5.4無限事件等待循環的

任務編碼295

9.6通過函式、ISR、IST和

任務的特徵進行區分296

9.7進程間通信和同步297

9.8信號函式298

9.9信號量的概念300

9.9.1OS的信號量IPC函式300

9.9.2作為事件信號變數或

通報變數的信號量的使用301

9.9.3作為資源鍵的信號量以及

信號量在臨界段中的使用302

9.9.4使用多個信號量同步任務304

9.9.5多個任務等待同一信號量306

9.9.6計數信號量307

9.9.7P和V信號量307

9.10禁用和啟用函式312

9.10.1禁用和啟用中斷312

9.10.2鎖定和解鎖函式312

9.11共享數據問題313

9.11.1多任務和多中斷服務

例程的數據共享問題313

9.11.2共享數據問題的解決

方法314

9.11.3優先權反轉問題和

優先權繼承315

9.11.4死鎖情況316

9.12佇列和信箱316

9.12.1佇列316

9.12.2信箱318

9.13管道和套接字321

9.13.1管道321

9.13.2套接字323

9.14遠程過程調用(RPC)函式326

本章小結326

關鍵字及其定義327

複習題328

實踐練習題329

第10章實時作業系統II：OS和

RTOS的基本功能331

10.1OS服務332

10.1.1OS服務目標332

10.1.2用戶和管態結構332

10.1.3結構333

10.1.4核心333

10.2進程管理334

10.3定時器函式334

10.4事件函式336

10.5存儲器管理336

10.6設備、檔案及IO子

系統管理337

10.6.1設備管理337

10.6.2檔案系統的組織和實現339

10.6.3I/O子系統342

10.7RTOS環境中的中斷

例程和中斷源調用處理342

10.7.1通過中斷源以及ISR

傳送ISR輸入訊息直接

調用ISR343

10.7.2RTOS首先回響中斷，

接著OS調用相應的ISR343

10.7.3RTOS首先回響中斷，調用

對應的ISR，之後ISR把消

息傳送給中斷服務執行緒344

10.7.4通過ISR接收IPC事件345

10.8實時作業系統345

10.9使用RTOS進行基本設計346

10.9.1RTOS基本設計原則：

15個設計策略347

10.9.2節約存儲器和功耗350

10.10RTOS任務調度模型353

10.11作業系統的安全問題354

10.12OS標準：POSIX354

10.12.1IEEE標準POSIX1003.1b

的RTOS標準化和進程

間通信函式355

10.12.2IEEE標準POSIX1003.1b

的IO函式356

10.12.3IEEE標準POSIX1003.1b

的檔案函式356

10.13作為性能指標的中斷

延遲和任務回響時間356

10.13.1周期、突發以及非周期

任務的調度模型中延遲和

最後期限的性能指標356

10.13.2使用CPU負載作為

性能指標357

10.13.3突發任務模型作為性能

指標357

10.14OS性能準則358

10.15中間件：含義和示例358

10.16套用層軟體：含義和

例子358

本章小結359

關鍵字及其定義360

複習題360

實踐練習題361

第11章實時作業系統編程：

MicroC/OS-II和VxWorks363

11.1RTOS364

11.1.1RTOS中的基本函式364

11.1.2當前的實時作業系統365

11.1.3RTOS的類型365

11.1.4實時系統的基準簡介367

11.2μC/OS-II(MUCOS)367

11.2.1系統級函式369

11.2.2任務服務函式374

11.2.3與存儲器分配相關的

函式381

11.2.4信號量相關函式384

11.2.5信箱相關函式388

11.2.6佇列相關函式393

11.3基於UNIX的實時操作

系統398

11.3.1pSOS398

11.3.2VrTx398

11.3.3QNXRTOS398

11.4RTOSVxWorks399

11.4.1基本特性400

11.4.2系統庫頭檔案中的任務

管理庫402

11.4.3VxWorks系統函式和

系統任務405

11.4.4IPC函式408

本章小結419

關鍵字及其定義421

複習題422

實踐練習題423

第12章實時Linux、WindowsCE、

OSEK、手持設備和汽車操作

系統425

12.1POSIX兼容作業系統426

12.2實時Linux作業系統426

12.2.1用於嵌入式系統的Linux——

嵌入式Linux426

12.2.2RTLinux431

12.3WindowsCE435

12.3.1WindowsCE的特點436

12.3.2WindowsCE編程438

12.3.3視窗和視窗管理439

12.3.4記憶體管理439

12.3.5檔案和註冊表440

12.3.6WindowsCE資料庫441

12.3.7進程、執行緒和IPC442

12.3.8按鍵、觸控螢幕、滑鼠的

輸入445

12.3.9通信和網路446

12.3.10設備間套接字通信函式448

12.3.11創建視窗449

12.3.12Win32API編程449

12.3.13嵌入式系統的Windows8

和WindowsEmbedded

Compact2013451

12.4OSEK451

本章小結453

關鍵字及其定義455

複習題458

實踐練習題459

第13章RTOS編程和程式建模設

計示例與案例研究461

13.1嵌入式系統設計的案例研究以

及使用MUCOSRTOS對巧克

力自動售賣機(ACVM)編碼462

13.1.1需求462

13.1.2規範463

13.1.3使用UML為規範建模464

13.1.4ACVM的硬體體系結構467

13.1.5軟體體系結構468

13.2數位相機的案例研究470

13.2.1需求470

13.2.2類圖473

13.2.3數位相機的硬體體系

結構474

13.2.4數位相機的軟體體系

結構475

13.3給IP包套用通信網路

路由器477

13.3.1使用VxWorks將套用層

位元組流傳送到TCP/IP網路

的編碼案例研究477

13.3.2需求477

13.3.3類圖、類和對象478

13.4管弦樂隊機器人之間通信的

案例研究483

13.4.1需求485

13.4.2類和類圖486

13.4.3狀態圖488

13.4.4機器人管弦樂隊MIDI通信

的硬體和軟體體系結構488

13.5汽車中的嵌入式系統489

13.6汽車中自適應巡航控制(ACC)

系統的嵌入式系統案例研究490

13.6.1需求491

13.6.2類圖495

13.6.3ACC硬體體系結構496

13.6.4ACC軟體體系結構497

13.6.5ACC軟體任務、同步模型

和實現497

13.7汽車中嵌入式編程的一般語

言特徵、MISRA-C的特徵497

13.8智慧卡中的嵌入式系統

案例研究498

13.8.1需求498

13.8.2類圖499

13.8.3硬體和軟體體系結構500

13.8.4同步模型501

13.9行動電話鍵輸入軟體

案例研究502

13.9.1需求503

13.9.2類和類圖507

13.9.3狀態圖509

13.9.4SMS按鍵硬體509

本章小結510

關鍵字及其定義512

複習題515

實踐練習題516

第14章嵌入式軟體開發過程和工具519

14.1嵌入式軟體開發過程和

工具概述519

14.1.1開發過程和軟硬體519

14.1.2軟體工具520

14.1.3原始碼工程管理工具521

14.1.4集成開發環境(IDE)522

14.2宿主機和目標機523

14.2.1宿主系統523

14.2.2目標系統525

14.3連結和定位軟體526

14.3.1檔案、定址和地址解決

方法的區別527

14.3.2MotorolaS-record和IntelHex

二進制映像格式的定位器

輸出檔案528

14.3.3用於定位器編碼的存儲器

映射528

14.4將嵌入式軟體植入目標系統530

14.4.1設備PROM或者快閃記憶體

編程器530

14.4.2設備編程器的編程方式531

14.5硬體/軟體設計和協同

設計中的問題531

14.5.1選擇合適的平台532

14.5.2存儲器敏感和處理器敏感

軟體535

14.5.3存儲器、程式段和設備

地址分配535

14.5.4嵌入式平台中OS的移植

問題538

14.6程式級別的性能分析和

性能建模539

14.6.1程式級別的性能分析和

系統性能指標539

14.6.2多處理器系統性能539

14.6.3MIP、MFLOP和DMIPS

作為性能指標539

14.7性能和性能加速器540

本章小結540

關鍵字及其定義541

複習題543

實踐練習題543

第15章測試、模擬和調試技術與

工具545

15.1集成和測試嵌入式硬體545

15.1.1測試嵌入式系統546

15.1.2可測試性的設計547

15.1.3斷言宏547

15.1.4自測的設計547

15.1.5在宿主機上進行測試548

15.2測試方法548

15.2.1錯誤跟蹤548

15.2.2單元測試549

15.2.3回歸測試549

15.2.4選擇測試用例549

15.2.5功能測試550

15.2.6覆蓋測試550

15.2.7測試嵌入式軟體550

15.2.8性能測試551

15.2.9維護551

15.3調試技術551

15.3.1模擬器551

15.3.2模擬器的特性552

15.3.3模擬器的局限性552

15.3.4模擬工具軟體553

15.3.5嵌入式系統的原型開發、

測試和調試工具553

15.4試驗工具和目標硬體的調試554

15.4.1簡單的伏特-歐姆表554

15.4.2簡單的LED測試和邏輯

探測器555

15.4.3示波器555

15.4.4位率測量儀556

15.4.5邏輯分析儀556

15.4.6電路內置仿真器(ICE)557

15.4.7監視器559

本章小結560

關鍵字及其定義560

複習題561

實踐練習題561

附錄A大學生、研究生、專業

培訓學生的不同課程的學習

路線圖563

附錄B參考文獻565