嵌入式系统

　　本书介绍了嵌入式系统的基础知识、嵌入式语言基础、嵌入式系统应用设备、嵌入式硬件与固件的设计、开发步骤和案例，以及嵌入式系统的应用等。第1章和第2章介绍了嵌入式系统的基本知识。第3章介绍了嵌人式的语言基础。第48章介绍了有关嵌入式硬件与固件设计的进阶知识，对于嵌入式系统的实践工程师来说，这些知识是非常有帮助的。第9 12章说明了嵌入式系统设计的应用环境及案例，该章的内容对实践工程师和项目经理都是有益的。每章内容讲述得比较详细，并使用简明的文字说明以及表格、图例来阐明相应概念。每章的末尾均有总结，概括了该章的知识。为了方便学生在实验室也能进行相关的实验，本书还在第13章提供了实验指导。本书还介绍了微控制器与ARM处理器，列举了贴近实际的**嵌入式设计案例。
　　本书从组件技术的视角出发，讲述了嵌入式系统的基本原理和技术。全书每一章涵盖一个专题，包括与嵌入式系统设计相关的若干主要内容，如指令系统、CPU、开发平台、程序设计与分析、进程和操作系统等。
　　本书特别适合作为计算机、软件工程、电子信息、通信工程、物联网工程、自动化、电气工程及其自动化、机电一体化、仪器仪表及相关专业高年级本科生和研究生的教材，也适合相关的工程技术人员参考。

前言
第1章概述
1.1嵌入式系统简介
1.1.1嵌入式系统的历史发展
1.1.2嵌入式系统的定义
1.1.3嵌入式系统的分类
1.1.4嵌入式系统的特点
1.1.5嵌入式系统的组成
1.1.6嵌入式系统的应用
1.1.7嵌入式系统的发展趋势
1.1.8嵌入式系统的学习
1.2嵌入式微处理器一
1.2.1处理器的基本组成
1.2.2嵌入式微处理器的特点
1.2.3两种处理器架构
1.2.4嵌入式微处理器的分类
1.2.5嵌入式微处理器的技术指标
1.2.6嵌入式微处理器的选型
1.2.7嵌入式微处理器的发展方向
1.3嵌入式操作系统
1.3.1嵌入式操作系统的概念
1.3.2嵌入式操作系统的分类
1.3.3嵌入式操作系统的特性
1.3.4经典的嵌入式操作系统l
1.4本书结构
1_5小结
1.6复习思考题

第2章处理器和架构
2.1ARM处理器概述
2.2ARM9处理器架构
2.2.1ARM9处理器简介
2.2.2ARM9系列技术特点
2.2.3ARM9结构及特点
2.2.4ARM9与ARM7的比较
2.3ARM9处理器的内存管理
2.3.1内存管理单元(MMU)概述
2.3.2MMU地址映射的实现
2.3.3协处理器CP
2.3.4设置MMU
2.4ARM9异常处理
2.5CortexA15介绍
2.6小结
2.7复习思考题

第3章嵌入式语言基础
3.1伪指令
3.1.1符号定义伪指令
3.1.2数据定义伪指令
3.1.3汇编控制伪指令
3.1.4宏指令
3.1.5其他常用的伪指令
3.2ARM汇编语言
3.2.1ARM汇编语言常用符号
3.2.2ARM汇编语言表达式和运算符
3.2.3ARM汇编语言程序结构
3.2.4ARM汇编语言的子程序调用
3.2.5ARM指令的寻址方式
3.2.6ARM指令简介
3.2.7Thumb指令简介
3.3嵌入式C语言
3.3.1C语言简介
3.3.2简单C语言程序的构成
3.4ARM汇编语言与c/c++
的混合编程
3.4.1C程序调用汇编程序
3.4.2汇编程序调用C程序
3.4.3实例分析
3.5小结
3.6复习思考题

第4章嵌入式Linux操作系统基础
4.1嵌入式Linux概述
4.1.1常见的嵌入式Lmux系统
4.1.2嵌入式Linux的版本控制
4.1.3嵌入式Linux的优势
4.2嵌入式Linux操作系统启动
4.2.1使用bootloader将内核映像载入
4.2.2内核数据结构初始化
4.2.3外设初始化
4.2.4内核执行init进程
4.2.5Shell的启动
4.3ARMLinux内存管理
4.3.1内存管理单元(MMU)
4.3.2ARMLinux的存储管理机制
4.3.3ARMLinux对进程虚拟
空间的管理
4.4ARMLinux进程管理和调度
4.4.1Linux下进程的结构
4.4.2Linux的进程调度
4.5ARMLinux的模块机制
4.5.1Linux模块概述
4.5.2模块的加载
4.5.3模块的卸载
4.6ARMLinux的中断管理
4.7嵌入式Unux文件系统
4.7.1Linux文件系统简介
4.7.2虚拟文件系统
4.7.3常见的嵌入式文件系统
4.8小结
4.9复习思考题

第5章嵌入式设备
5.1嵌入式设备概述
5.2LED
5.3键盘
5.3.1传统键盘的介绍
5.3.2新型键盘的硬件和软件
实现原理
5.4ADC/DAC
5.4.1ADC
5.4.2DAC
5.5RS．
5.6RS
5.7触摸屏
5.8LCD一
5.8.1LCD原理综述
5.8.2LCD的驱动方式
5.9SD卡
5.9.1SD模式
5.9.2SPI模式
5.10IC卡
5.10.1IC卡的定义
5.10.2IC卡的分类
5.10.3接触式IC卡
5.10.4IC卡的优点
5.11RFID
5.11.1RFID的基本组成
5.11.2分类l
5.11.3RFID基本原理
5.11.4RFID的特性l
5.12Zigbee
5.12.1Zigbee技术基础
5.12.2Zigbee的节点
5.12.3Zigbee技术的特点
5.13WiFi
5.14蓝牙
5.14.1射频特性
5.14.2TDMA结构
5.14.3使用跳频技术
5.14.4蓝牙设备的组网
5.14.5软件的层次结构
5.15GPRS
5.16小结
5.17复习思考题

第6章传感器
6.1传感器概述l
6.1.1传感器的定义
6.1.2传感器的分类
6.1.3传感器的特性
6.2传感器原理及应用
6.2.1传感器的组成
6.2.2传感器的应用
6.3验证语音、笔迹和指纹等
特征的传感技术
6.3.1AVVS型验证语音和
笔迹的装置
6.3.2语音验证系统
6.3.3用于身份验证的压电笔
6.3.4签字验证书写台l
6.3.5指纹自动识别仪
6.4小结
6.5复习思考题

第7章嵌入式接口
7.1嵌入式接口概述
7.1.1接口功能
7.1.2接口结构
7.1.3接口数据传输方式
7.1.4接口设计的一般方法l
7.2嵌入式总线一
7.2.1总线及总线分类
7.2.2嵌入式系统总线的层次结构
7.2.3衡量总线的参数
7.3GPIO接口
7.3.1GPIO概述一l
7.3.2CPIO的引脚描述
7.3.3GPIO的寄存器描述
7.3.4GPIO的构成一
7.3.5GPIO的工作模式
7.3.6CPIO的优点一
7.4SPI总线一
7.4.1SPI总线概述一
7.4.2SPI总线的工作原理
7.4.3SPI总线的内部结构
7.4.4SPI总线的特点一l
7.4.5SPI总线的应用一
7.512C总线一
7.5.112C总线概述一
7.5.212C总线的工作过程
7.5.312C总线的内部结构
7.612S总线
7.6.112S总线概述
7.6.212S总线的工作过程
7.6.312S总线的内部结构
7.7小结一l
7.8复习思考题一

第8章嵌入式设备驱动设计
8.1嵌入式设备驱动设计概述
8.1.1设备的分类及特点
8.1.2设备文件及设备号l
8.1.3与其他模块的关系
8.1.4如何使用模块机制
8.1.5sysfs虚拟文件系统
8.1.6Linux内核设备模型l
8.1.7Linux内核驱动模型
8.2字符设备驱动设计一
8.2.1设备驱动举例
8.2.2相关的数据结构以及操作介绍
8.2.3增加字符设备驱动的功能
8.3块设备驱动设计一
8.3.1块设备的I/O特点
8.3.2块设备的相关概念
8.3.3块设备驱动举例
8.3.4与块设备相关的数据结构
8.3.5改变块驱动程序设计
8.4其他设备驱动
8.4.1网络设备驱动
8.4.2Flash设备驱动
8.4.3Android系统驱动
8.5小结
8.6复习思考题

第9章嵌入式开发环境
9.1交叉开发环境概述
9.1.1宿主机与目标板的连接方式
9.1.2文件传输
9.1.3宿主机环境
9.1.4交叉编译工具链
9.1.5嵌入式软件开发流程
9.2IAREWARM集成开发环境
9.2.1IAREWARM创建应用程序
9.2.2测试应用程序
9.3Keil集成开发环境
9.3.1创建应用程序
9.3.2测试应用程序
9.4嵌入式系统开发流程
9.5小结
9.6复习思考题

第10章图形界面编程
10.1嵌入式图形编程概述
10.1.1Linux图形开发基础
10.1.2嵌入式Linux图形用户
界面简介
10.2Qt编程基础
10.2.1Qt/Embedded概述
10.2.2创建Qt/Embedded编程环境
10.2.3QtCreator介绍
10.3Qt编程实例
10.3.1实现功能
10.3.2实现原理
10.3.3实现过程
10.4MiniGUI编程基础
10.4.1事件驱动编程
10.4.2MiniGUI的三种运行模式
10.4.3运行模式适用范围
10.4.4MiniGUI进程
10.5MiniGUI编程实例
10.5.1头文件
10.5.2程序入口点
10.5.3加入层
10.5.4创建和显示主窗口
10.5.5进入消息循环
10.5.6窗口过程函数
10.5.7屏幕输出
10.5.8程序的退出
10.6小结
10.7复习思考题

第11章Android应用
11.1Android概述
11.1.1Android背景介绍
11.1.2Android的系统构架
11.1.3Android应用程序框架
11.1.40MS介绍
11.2Android开发环境搭建
11.2.1相关软件的下载与安装
11.2.2虚拟设备的创建和使用
11.3Android应用开发一
11.4Android应用开发扩展
11.5小结
11.6复习思考题

第12章楼宇供能智能控制系统
应用案例
12.1中央空调监测控制子系统
12.1.1现场考察及用户意见总结
12.1.2技术方案
12.1.3设备选型
12.1.4中央空调监测控制子系统
结构图
12.2给排水监测控制子系统
12.2.1给排水系统主要架构
12.2.2给排水系统实现功能
12.2.3给排水系统改造方案
12.2.4传感器选型
12.3供配电监测控制子系统
12.3.1供配电系统改造整体方案
12.3.2改造后供配电系统289的主要功能
12.3.3供配电系统具体改造方案
12.4系统整体架构
12.5软件应用系统
12.5.1能耗监测数据采集功能模块
12.5.2能耗监测数据分析功能模块
12.5.3能耗监测智能决策功能模块
12.5.4能耗监测远程控制功能模块
12.5.5系统扩展功能
12.6工程施工内容
12.6.1通信网络构建及设备安装
12.6.2系统供电
12.6.3接地
12.7系统特点
12.8效益分析

第13章嵌入式系统实验指导
13.1实验大纲
13.2物联网嵌入式网关平台搭建
13.3CC2530基础实验LED闪烁
13.4CC2530基础实验–按键轮询
13.5CC2530基础实验LED、电机
控制实验
参考文献

 

　　在信息技术飞速发展的今天，随着物联网的兴起，嵌入式系统迎来了前所未有的发展契机，其研究和应用范围涉及各行各业，遍及千家万户。嵌入式系统已成为人们重点关注和学习的热点。中国作为世界上**的嵌入式技术市场，嵌入式技术的研究和应用也十分广泛，如智能建筑、智慧城市、数字矿井、工业控制、军事应用、物流管理、医疗电子等。嵌入式系统软件、硬件设计人才，系统应用开发人才，综合性人才的需求又进一步带动了嵌入式系统的开发与研究。因此研究嵌入式技术，掌握嵌入式系统原理、设计方法与应用具有极其重要的意义。
　　利用嵌入式系统已经成熟的平台和产品，与应用传感单元相结合，扩展物联和感知的支持能力，发掘某种领域物联网应用。从作为物联网重要技术组成的嵌入式系统的视角来看待物联网有助于深刻、全面地理解其本质。**，物联网的核心仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信，必须具备嵌入式系统构建的智能终端。因此，物联网系统是通过射频识别( RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信的系统架构。
　　物联网不仅提供了传感器的连接，其本身也具有智能处理的能力，能够对物体实施智能控制，这就是嵌入式系统能做到的。物联网将传感器和智能处理相结合，利用云计算、模式识别等各种智能技术，扩充其应用领域。并从传感器获得的海量信息中分析、加工和处理出有意义的数据，以适应不同用户的不同需求，发现新的应用领域和应用模式。
　　截至2015年，我国已有370所高校设置了物联网工程专业。数以万计的读者急需一本嵌入式系统的参考书，伴随自己进入物联网应用的开发殿堂。为适应社会发展的需求，市面上也出现了一些新编的基于物联网发展的嵌入式系统教材，但都偏重于理论知识和一些验证性实验，忽视了软件基础，对于应用开发环境，更是很少涉足。本书是一本理论联系实际具有实用价值的教材，一方面满足高校本科和研究生教学需求，另一方面满足物联网嵌入式系统应用开发人员工作参考需求。
　　本书注重软硬件结合、理论与实践并重的原则，将嵌入式系统和物联网应用开发有机地结合起来，以ARM 9嵌入式处理器和Ubuntu 10. 10桌面应用Linux操作系统为主线，详细地介绍了嵌入式操作系统和软硬件应用开发环境与工具，并结合IAR和Qt开发环境和工具，对嵌入式系统开发流程做了详尽的介绍，内容包括嵌入式系统概述、ARM 9处理器和架构、ARM 9处理器的内存管理、MMU地址映射、协处理器CP15、ARM 9异常处理、CortexA15介绍；嵌入式C/汇编语言基础、伪指令、ARM汇编语言程序设计、嵌入式C语言程序设计、ARM汇编语言与C/C++的混合编程；嵌入式Linux概述、ARMLinux boot Loader内核映像载入、内核数据结构初始化、外设初始化、内核执行init进程、Shell启动、ARMLinux内存管理单元(MMU)、ARMLinux内存管理机制、进程虚拟空间管理、ARMLinux进程管理和调度、ARMLinux模块机制、ARM?Linux中断管理、ARMLinux文件系统；嵌入式设备概述、LED、键盘、ADC/DAC、RS232、RS485、触摸屏、LCD、SD、IC卡、RFID、Zigbee、WiFi、蓝牙、GPRS；传感器的定义、分类、特性、热电阻式传感器、热电偶式传感器、辐射式温度计、应变式压力传感器、压电式压力传感器、电容式压力传感器、霍尔式压力传感器；嵌入式接口概述、GPIO接口、SPI总线、I2C总线、I2S总线；嵌入式设备驱动设计概述、字符设备驱动设计、块设备驱动设计、网络设备驱动、FLASH设备驱动、Android系统驱动；交叉开发环境概述、IAR EWARM8.0应用、Kei14应用、嵌入式Linux软件开发环境、模拟器、仿真器与调试；嵌入式图形界面编程概述、Qt应用编程、MiniGUI应用编程；Android应用开发等方面。本书*后给出了一个可以贯穿教材的嵌入式系统和物联网应用有机结合的工程框架结构，并对配套的软硬件开发平台进行了较为详尽的介绍。
　　本书每章均配有内容小结和习题，以及既可以统一练习又可以化整为零分配到每一章练习的工程案例，同时配有免费电子课件，是教师**的授课教材，也是学生自学的大纲指南，更是开发者**的参考手册。
　　作者从事嵌入式系统应用开发10余年，主持开发的嵌入式应用系统有：基于Zigbee和GPRS的路灯照明调光节能控制系统、大型建筑工地太阳能3G无线视频监控系统、大型流域和城市防洪预警会商系统、城市火灾预警和消防装备全生命周期管理系统。其中基于Zigbee和GPRS的路灯照明调光节能控制系统已在太原市滨河东路景观照明系统工程、太原市汾河公园照明工程、长风商务区景观照明工程、汾东商务区路灯照明工程、江苏宜兴团沈公园景观照明工程、山东曹县路灯照明工程、河南中牟县路灯照明工程中推广应用。
　　本书共13章，1~ 12章建议授课学时为48学时，每章4个学时。第13章实验练习时间为8个学时，总计56个学时。
　　张军朝担任本书主编并编写了第1（1、2、4节）、3、12章；高保禄担任副主编并编写了第2、11章；杨晓峰担任副主编并编写了第8、9章；方昀编写了第1（3节）、4章；李文婷编写了第5（10 N17节）、6章；赵荣香编写了第5（1~9节）、10章；田华编写了第7章；第13章由北京中软国际教育科技有限公司提供。本书由太原理工大学陈俊杰教授主审。
　　本书在编写过程中得到了计算机专业教学指导委员会委员、太原理工大学陈俊杰教授，电气工程及其自动化专业教学指导委员会委员、太原理工大学宋建成教授，太原理工大学萧宝瑾教授、田慕琴教授、马春燕教授、许春雨副教授、曲兵妮副教授、吝伶艳副教授、陈燕副教授、任鸿秋副教授、耿蒲龙老师、高云广老师、郑丽君老师、张建花老师，北京中软国际教育科技有限公司田荣华经理，山西太原天地方圆电子科技有限公司赵荣香高工、植耀汉工程师自始至终的支持和帮助。太原理工大学姚宇硕士、段蛟龙硕士、施苗苗硕士、耿泽新硕士、郭俊硕士、于亚运硕士、饶元淇学士、范超群学士在编写和校对过程中也做了大量的工作。在此一并致以衷心的感谢！
　　编者力求将理论和实践相结合，科研和教学相结合，工程和教学相结合，硬件和软件相结合，先进和实用相结合，编写出高质量、高水平的教材，但由于水平有限，书中错误和不当之处在所难免，敬请读者谅解和指正。来函敬请至：zhangjunchao@ tyut. edu. cn。
　　张军朝于太原理工大学国交楼