嵌入式系统设计基础及应用(基于ARM Cortex-M4微处理器高等学校电子信息类专业系列教材)

以嵌入式系统的基本原理为主线，以ARMCortex-M4为基础，系统地介绍了嵌入式系统的硬件、软件基本知识，并通过最小系统的设计开发流程阐述了嵌入式系统的开发、调试、测试与验证方法，最后介绍了多核微处理器架构。

系统性 内容涵盖嵌入式系统的基本知识、体系架构。

全面性 对嵌入式的硬件、软件以及嵌入式系统调试等知识的全面介绍。

先进性和实用性 以Cortex-M4为平台，介绍硬件、软件开发以及最小系统的设计。

实践性 配套实验教材——《嵌入式系统设计实验教程》，提供13个基础实例和1个综合实例，同时提供实验工程文件、教学课件、教学大纲、习题答案等配套资源。

MOOC课程 中国大学MOOC“嵌入式系统设计”（华东师范大学，郭建）。

《嵌入式系统设计基础及应用》介绍了嵌入式系统的基本原理和基础知识。在硬件方面详细讲述了微处理器的系统架构、常见的总线与总线协议、存储器的分类和存储保护机制及相关的性能分析，并具体介绍了基于 ARM Cortex-M4微处理器的编程模式、中断机制、流水线技术、总线技术、存储器系统。在软件方面详细介绍了嵌入式系统软件开发的特点，并介绍了嵌入式 C语言开发的元素。编译器在嵌入式系统开发中起着重要的作用，翻译过程及优化技术对设计良好的嵌入式程序也至关重要，本书介绍了编译技术和优化方法，以及程序级的性能分析。实时操作系统是嵌入式软件开发的基础，因此介绍了嵌入式实时操作系统（以 μC/OS Ⅲ为例）。另外，通过最小系统设计开发的介绍，使读者了解嵌入式系统开发的整个过程。最后介绍了嵌入式系统的调试、测试和验证方法，以及多核嵌入式微处理器。

《嵌入式系统设计基础及应用》可作为高等院校软件工程、计算机、电子信息和电气工程、自动化、物联网等相关专业的本科生、研究生授课教材，也可作为广大从事嵌入式系统开发的工程技术人员的参考用书。

郭建，华东师范大学，副教授，博士，研究领域：嵌入式系统

陈刚，东北大学计算机科学与工程学院，副教授，博士，研究领域：嵌入式系统、机器人、计算机视觉，刘锦辉，西安电子科技大学计算机科学与技术学院，副教授，博士，研究领域：嵌入式系统、计算机仿真技术、数字信号处理技术

江先阳，武汉大学物理科学与技术学院，副教授，博士，研究领域：新型计算机体系结构、类脑计算等

谢国琪，湖南大学信息科学与工程学院，教授，计，博士，研究领域：实时系统、高性能嵌入式计算、汽车信息物理系统

陈勉，西安电子科技大学，研究领域：分布式计算、移动智能计算

谢勇，南京邮电大学计算机学院，副教授，博士，研究领域：嵌入式系统

第1章 嵌入式系统概论
1.1 嵌入式系统概念
1.2 嵌入式系统组成
1.2.1 嵌入式系统结构
1.2.2 嵌入式微处理器
1.2.3 嵌入式操作系统
1.3 嵌入式系统设计过程
1.4 嵌入式系统发展
1.5 本书的内容安排
1.6 习题
第2章 微处理器体系架构
2.1 嵌入式微处理器体系结构
2.1.1 冯·诺依曼结构与哈佛结构
2.1.2 复杂指令集和精简指令集计算机
2.1.3 嵌入式微处理器类型
2.2 ARM微处理器体系架构
2.2.1 可编程模式
2.2.2 特殊寄存器
2.3 中断机制
2.4 嵌入式汇编语言
2.4.1 汇编程序的结构
2.4.2 指令格式与寻址方式
2.4.3 常见指令
2.4.4 汇编程序的设计
2.5 流水线技术
2.5.1 流水线分类
2.5.2 CorteX-M4的三级流水线
2.5.3 影响流水线性能的因素
2.6 本章小结
2.7 习题
第3章 嵌入式总线技术
3.1 系统总线概述
3.2 总线结构与协议
3.2.1 CPU总线的结构
3.2.2 总线组织及演进
3.2.3 典型总线及协议
3.2.4 SFM32F4系列芯片对总线的支持
3.3 DMA
3.3.1 定义和作用
3.3.2 SFM32F4系列芯片DMA控制器结构和DMA特点
3.3.3 DMA的设置
3.3.4 DMA传输的状态
3.3.5 DMA请求的仲裁
3.3.6 DMA延迟性能
3.4 ARM CPU的总线结构
3.4.1 ARM CPU的总线发展
3.4.2 ARM总线结构
3.4.3 多层总线矩阵结构
3.4.4 矩阵总线访问优先权
3.5 总线的性能分析
3.6 本章小结
3.7 习题
第4章 存储器系统
4.1 存储器系统概述
4.2 嵌入式系统存储器的分类和存储器性能分析
4.2.1 以存储器的用途分类
4.2.2 以信息存取方式分类
4.2.3 存储器的主要技术指标
4.3 ARM存储器管理
4.3.1 存储映射
4.3.2 存储格式
4.3.3 工作原理
4.3.4 启动配置
4.3.5 嵌入式闪存支持
4.3.6 弹性静态存储器控制器
……
第5章 嵌入式输入/输出设备的接口
第6章 程序设计与分析
第7章 嵌入式最小系统构建.
第8章 实时操作系统
第9章 μC/OS操作系统
第10章 嵌入式系统调试、测试与验证方法
第11章 多核嵌入式微处理器
附录A 部分代码
参考文献

嵌入式系统涉及医疗设备、过程控制、通信、汽车、航空、航天、军事装备、消费类电子等众多领域。随着物联网、信息物理融合系统的发展，嵌入式系统技术已经得到飞速发展。

本书针对各个高校相关专业的本科生教学而设计，也可以作为研究生及嵌入式系统开发者的参考用书。本书以嵌入式系统的基本原理为主线，以ARM Cortex-M4芯核为基础，系统地介绍了嵌入式系统的硬件、软件基本知识，并通过最小系统的设计开发流程阐述了嵌入式系统的开发，最后介绍了多核微处理器架构。

全书共11章，分为嵌入式系统、硬件知识、软件知识、调试、最小系统和多核系统6部分，其具体知识架构如图0.1所示。

图 0.1 本书的知识架构

本书立足于理论与实践相结合，从嵌入式系统开发的特点出发，努力做到内容的系统性、全面性、实践性、先进性和实用性。其系统性体现在内容涵盖嵌入式系统的基本知识、体系架构；全面性体现在对嵌入式的硬件、软件及调试等知识的全面介绍；实践性表现为以Cortex-M4芯核为基础，全面介绍了基于Cortex-M4的嵌入式系统的开发方法；先进性和实用性体现在以目前最常用的嵌入式芯核Cortex-M4为平台，介绍其上的软件开发及最小系统的设计。

在本书编写过程中，参考了国内已出版的同类图书(见参考文献[1]～[14])，在吸收这些文献的精华和优点的同时，本书还具有如下特色。

（1）图文并茂，以增加读者对嵌入式系统的理解。

（2）取材新颖、阐述严谨、内容丰富、重点突出、推导详尽、思路清晰、深入浅出、富启发性，便于教学与自学。

（3）以嵌入式系统设计方法和过程为主线，介绍各个重要环节的知识，并关注性能、能耗。

（4）通过一章（第7章）介绍如何综合各个知识点，完成嵌入式系统的开发。

（5）本书配套资源丰富：程序代码、教学课件、教学大纲、习题答案等资源，请扫描下方二维码下载或到清华大学出版社官方网站本书页面下载；配套实验教材——《嵌入式系统设计实验教程》（ISBN：9787302593850），提供13个基础实例和1个综合实例；MOOC课程——中国大学MOOC“嵌入式系统设计”（华东师范大学，郭建），供读者学习参考。

全书由多所高校联合编写，其中华东师范大学郭建主持编写并负责第6~11章统稿，武汉大学江先阳负责第1~5章统稿。具体分工：北京大学林金龙编写第1章和第11章；华东师范大学郭建编写第2章和第9章；武汉大学江先阳编写第3章和第4章；南京邮电大学谢勇编写第5章；湖南大学谢国琪编写第6章；西安电子科技大学刘锦辉和陈勉编写第7章；东北大学陈刚编写第8章和第10章。

北京大学曹喜信教授在本书的编写过程中，提出了许多宝贵的修改意见，并多次组织了针对本书编写的研讨会，在此表示衷心的感谢。感谢清华大学出版社郑寅堃和刘星两位老师多次参加我们的研讨会，并给出很多编撰意见，使得本书能够顺利完成。非常感谢CCF嵌入式系统专委会对编写本书的支持。本书受到``华东师范大学精品教材建设专项基金项目''的资助，在此一并感谢。

出好书是作者追求的目标，但由于水平所限，尽管作了很大努力，可能还会有若干不妥甚至是错误，望广大读者给予批评指正，谢谢。

编 者

2022年1月

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