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第1章 嵌入式系统概论1

1.1嵌入式系统概述1

1.1.1嵌入式系统的概念1

1.1.2嵌入式系统的特点2

1.1.3嵌入式系统的发展3

1.1.4嵌入式系统的应用4

1.1.5嵌入式系统的学习方法5

1.2嵌入式处理器6

1.2.1嵌入式处理器的分类6

1.2.2 ARM嵌入式处理器简介6

1.3嵌入式系统的组成7

1.3.1嵌入式系统的硬件7

1.3.2嵌入式系统的软件9

1.4嵌入式操作系统10

1.4.1嵌入式操作系统及其特点10

1.4.2典型嵌入式操作系统10

1.5嵌入式系统的设计方法11

1.5.1嵌入式系统设计概述11

1.5.2嵌入式系统的设计步骤12

1.5.3嵌入式系统的传统设计方法13

1.5.4嵌入式系统的硬、软件协同设计技术15

1.6嵌入式系统的软件设计16

1.6.1嵌入式系统的软件设计过程16

1.6.2嵌入式操作系统的选择17

1.6.3嵌入式软件开发工具链的构建18

1.7嵌入式系统开发与调试工具21

1.7.1嵌入式系统硬件开发与调试工具21

1.7.2嵌入式系统软件开发工具22

习题一26

第2章 嵌入式处理器27

2.1嵌入式处理器内核27

2.2 ARM体系结构28

2.3 ARM处理器的工作状态与工作模式29

2.3.1 ARM处理器的工作状态30

2.3.2 ARM处理器的工作模式31

2.4 ARM处理器寄存器组织32

2.4.1 ARM状态下的寄存器组织32

2.4.2 Thumb/Thumb-2状态下的寄存器组织34

2.5 ARM处理器的异常中断35

2.5.1经典ARM处理器的异常中断35

2.5.2 ARM Cortex-M微控制器的异常中断37

2.5.3 ARM Cortex-M系列微控制器的堆栈41

2.5.4 ARM Cortex-M异常的中断响应与返回过程41

2.6 ARM的存储器格式及数据类型42

2.6.1 ARM的两种存储字的格式42

2.6.2 ARM存储器数据类型43

2.7 ARM流水线技术44

2.7.1指令流水线处理44

2.7.2不同ARM处理器的指令流水线45

2.8基于AMBA总线的ARM处理器芯片45

2.8.1 AMBA总线的发展及版本46

2.8.2基于AMBA总线的ARM处理器芯片47

2.9典型嵌入式处理器48

2.9.1典型ARM处理器系列48

2.9.2 ST公司的STM32F10x系列微控制器50

习题二52

第3章 嵌入式系统程序设计53

3.1 ARM指令分类及指令格式53

3.1.1 ARM指令分类53

3.1.2 ARM指令格式54

3.1.3 ARM指令中的操作数符号56

3.1.4 ARM指令中的移位操作符56

3.2 ARM指令的寻址方式57

3.2.1立即寻址57

3.2.2寄存器寻址57

3.2.3寄存器间接寻址57

3.2.4基址加变址寻址58

3.2.5相对寻址58

3.2.6堆栈寻址58

3.2.7块拷贝寻址59

3.3 ARM指令集59

3.3.1数据处理指令59

3.3.2程序状态寄存器访问指令61

3.3.3分支指令62

3.3.4加载／存储指令63

3.3.5协处理器指令66

3.3.6异常中断指令67

3.4 Thumb指令集68

3.4.1数据处理指令68

3.4.2分支指令69

3.4.3加载／存储指令70

3.4.4异常中断指令72

3.5 Thumb-2指令集73

3.5.1数据处理指令73

3.5.2分支指令与程序状态指令75

3.5.3加载与存储指令75

3.5.4中断相关指令77

3.6 ARM处理器支持的伪指令77

3.7 ARM汇编语言程序设计78

3.7.1 ARM汇编语言的语句格式78

3.7.2在汇编语言程序中常用的符号78

3.7.3汇编语言程序中的表达式和运算符79

3.7.4 ARM汇编器所支持的伪指令81

3.7.5 ARM汇编语言的程序结构83

3.8 CMSIS及其规范84

3.8.1 CMSIS软件结构及层次84

3.8.2 CMSIS代码规范86

3.8.3 CMSIS文件结构87

3.9 Boot Loader及启动文件91

3.9.1 ARM处理器的启动过程91

3.9.2 Boot Loader93

3.9.3启动文件94

3.10嵌入式C语言程序设计100

3.10.1嵌入式C语言程序设计基础100

3.10.2嵌入式系统程序设计过程107

3.10.3嵌入式系统的程序结构107

3.10.4汇编语言与C语言的混合编程111

3.10.5固件库及其使用113

习题三117

第4章 嵌入式最小系统120

4.1嵌入式最小系统的组成120

4.2嵌入式处理器选型120

4.2.1功能参数选择原则121

4.2.2非功能性参数选择原则122

4.3供电模块设计124

4.3.1降压型电源设计125

4.3.2升压型电源设计125

4.3.3隔离型电源设计126

4.3.4 STM32F10x电源设计126

4.4时钟与复位电路设计127

4.4.1时钟电路及时钟源选择127

4.4.2复位模块129

4.5调试接口设计132

4.5.1 JTAG调试接口设计132

4.5.2 SWD调试接口设计133

4.5.3采用通用JTAG仿真器做SWD接口134

4.6存储器接口设计135

4.6.1存储器地址映射135

4.6.2片内存储器136

4.6.3片外存储器136

4.6.4辅助存储器137

4.6.5外部存储器扩展139

习题四142

第5章 数字输入输出系统设计143

5.1通用输入输出端口143

5.1.1 GPIO概述143

5.1.2 GPIO基本工作模式143

5.1.3 GPIO端口保护措施147

5.1.4 GPIO端口的中断148

5.1.5典型ARM芯片GPIO的操作148

5.2数字信号的逻辑电平及其转换151

5.2.1数字信号的逻辑电平151

5.2.2数字信号的逻辑电平转换153

5.3数字输入接口的扩展158

5.3.1使用缓冲器扩展并行输入接口158

5.3.2使用串行移位寄存器来扩展并行输入接口158

5.4数字输出接口的扩展159

5.4.1使用锁存器扩展并行输出接口159

5.4.2使用串行移位寄存器来扩展并行输出接口160

5.5数字输入输出接口的一般结构160

5.5.1数字输入接口的一般结构160

5.5.2数字输出接口的一般结构162

5.6人机交互通道设计164

5.6.1键盘接口设计164

5.6.2显示接口设计165

5.6.3人机交互接口应用175

习题五178

第6章 定时计数器组件180

6.1通用定时计数器Timer180

6.1.1内部定时功能180

6.1.2外部计数功能181

6.1.3捕获功能181

6.1.4比较功能182

6.1.5 STM32F10x系列定时器TIMx及其应用182

6.2系统节拍定时器SysTick192

6.3看门狗定时器WDT194

6.3.1 IWDG194

6.3.2 WWDG196

6.4实时钟定时器RTC197

6.4.1 RTC的硬件组成198

6.4.2 RTC相关寄存器199

6.4.3 RTC的应用200

6.5脉宽调制定时器204

6.5.1 PWM概述204

6.5.2 STM32F10x系列PWM模式206

6.5.3 PWM相关寄存器207

6.5.4 PWM的应用208

习题六210

第7章 模拟输入输出系统设计213

7.1模拟输入输出系统概述213

7.2传感器及变送器213

7.2.1传感器214

7.2.2变送器215

7.3信号调整的电路设计216

7.3.1信号调理电路的功能及任务216

7.3.2信号滤波217

7.3.3信号放大220

7.3.4激励与变换221

7.4模／数转换器及其接口设计223

7.4.1片上ADC及其应用223

7.4.2片外ADC及其应用231

7.5数／模转换器233

7.5.1片内DAC及其应用233

7.5.2片外DAC及其应用237

7.6典型模拟输入输出系统实例238

7.6.1温度变送器设计要求238

7.6.2温度变送器硬件系统设计239

习题七241

第8章 互连通信接口设计243

8.1串行异步收发器243

8.1.1串行异步收发器UART/USART243

8.1.2 UART的应用247

8.2 RS-232接口及其应用251

8.2.1 RS-232接口251

8.2.2基于RS-232的双机通信253

8.2.3 STM32F10x基于RS-232的接口254

8.3 RS-485接口及其应用255

8.3.1 RS-485接口255

8.3.2 RS-485的隔离应用258

8.3.3 RS-485主从式多机通信的应用259

8.4 I2 C总线接口261

8.4.1 I2 C总线概述261

8.4.2 STM32F10x的I2 C功能模块及寄存器结构263

8.4.3 I2C总线接口的应用267

8.5 SPI串行外设接口269

8.5.1 SPI串行外设接口概述269

8.5.2典型SPI结构270

8.5.3 SPI接口的应用270

8.6 CAN总线接口274

8.6.1 CAN总线概述274

8.6.2典型片上CAN控制器的组成及相关寄存器276

8.6.3 CAN总线接口的应用281

8.7 Ethernet以太网控制器接口的应用284

8.7.1 Ethernet控制器概述284

8.7.2基于片上以太网控制器的以太网接口连接285

8.7.3以太网接口的应用286

8.8 USB接口289

8.8.1 USB接口的组成289

8.8.2 USB接口连接291

8.8.3 USB接口的应用292

8.9无线通信模块及其接口294

8.9.1常用无线通信模块294

8.9.2无线通信模块接口与MCU的连接296

习题八297

第9章 嵌入式操作系统及其移植298

9.1嵌入式操作系统概述298

9.1.1嵌入式操作系统的一般结构298

9.1.2嵌入式操作系统的特点与分类298

9.2典型嵌入式操作系统μC/OS-Ⅱ300

9.2.1 μC/OS-Ⅱ操作系统概述300

9.2.2 μC/OS-Ⅱ的任务及其管理303

9.2.3 μC/OS-Ⅱ的系统服务306

9.3 μC/OS-Ⅱ的移植309

9.3.1 μC/OS-Ⅱ移植的一般方法309

9.3.2 μC/OS-Ⅱ移植到STM32F10x微控制器313

9.4基于μC/OS-Ⅱ下的应用程序设计316

9.4.1 μC/OS-Ⅱ的初始化与main（）函数结构316

9.4.2 μC/OS-Ⅱ用户任务的三种结构317

9.4.3 μC/OS-Ⅱ应用程序设计实例318

习题九323

第10章 嵌入式应用系统设计实例325

10.1系统设计要求325

10.1.1系统总体要求325

10.1.2主要功能与技术指标326

10.2需求分析与体系结构设计326

10.2.1需求分析326

10.2.2系统体系结构设计328

10.3最小系统设计329

10.3.1嵌入式处理器的选型329

10.3.2电源设计330

10.3.3最小系统构成331

10.3.4 MCU资源分配333

10.4通道设计335

10.4.1通道模块元器件选型335

10.4.2模拟通道设计335

10.4.3数字通道设计338

10.4.4互连通信接口343

10.5嵌入式硬件综合345

10.5.1硬件原理图综合345

10.5.2硬件PCB板设计347

10.6嵌入式软件设计348

10.6.1无操作系统下的软件设计349

10.6.2有操作系统下的软件设计350

10.7系统调试351

10.7.1硬件调试概述351

10.7.2电源模块的调试353

10.7.3最小系统调试353

10.7.4通道调试354

10.7.5系统综合调试358

习题十359

参考文献360