本书全面介绍了嵌入式系统基本技术和开发方法，根据嵌入式系统的结构体系，从基本概念出发，分层次介绍了嵌入式系统的设计原理，并保持了各层次之间的相关性。嵌入式系统从结构上可划分为嵌入式处理器、嵌入式外围硬件、设备驱动、实时操作系统和嵌入式应用程序五个层次。本书在阐述每个层次原理的基础上，基于ARM处理器和C/OS-Ⅱ操作系统平台，完整地分析了嵌入式系统开发所涉及的基本技术方法、开发工具、调试原理与方法，并给出了相应的应用实例。

本书结构合理，内容系统、全面，可作为高等院校计算机网络工程、电子工程、自动化控制等相关专业本科生或研究生的教材，也可作为从事嵌入式系统开发的工程技术人员的参考书。

《嵌入式系统原理与设计(第一版)》自2006年出版以来，已被国内30余所高等院校相关专业选为授课教材。与该书配套开发的网络课程在第十三届全国多媒体教育软件大奖赛中，获得高等教育组网络课程一等奖。2010年，编者对第一版进行了修订，更新了部分内容，推出了该书的第二版，受到读者的广泛欢迎。

近年来随着微电子、通信和网络等技术的迅猛发展，嵌入式技术不断更新，各类产品功能日趋强大，应用范围更加广泛。因此，我们在第二版的基础上，结合长期工程实践和教学活动经验，增加了嵌入式技术的最新发展动态，更新了部分数据，扩展了部分技术原理及应用实例，同时删减了一些陈旧内容。具体如下：更新了ARM处理相关的统计数据，增加了对ARM处理器总线架构和Cortex系列产品的介绍；对硬件接口电路及应用实例进行了完善，增加了SD卡电路设计与实例、LCD控制原理、IIS控制原理与应用实例以及Wi-Fi技术等相关内容；添加了基于ARM11和FPGA的图像采集处理系统应用实例；对嵌入式系统设计流程和方法等内容进行了完善，删除了第一、二版中关于系统设计形式和方法等理论知识的介绍，增加了电子器件封装、硬件开发与软件开发常用工具的介绍。

通过上述几个方面的修改和完善，新版本紧跟当前嵌入式技术的最新发展趋势，内容上覆盖了嵌入式系统中常用接口技术和典型应用实例，更加贴近工程实践。

编 者

2017年4月

第1章 嵌入式系统概述.................................. 1

1.1 嵌入式系统的产生和发展............................ 1

1.2 嵌入式系统的概念........................................ 3

1.2.1 嵌入式系统的定义................................. 3

1.2.2 嵌入式系统的特点................................. 3

1.2.3 嵌入式系统的组成结构......................... 6

1.2.4 嵌入式系统的分类................................. 7

1.3 嵌入式系统的应用领域.............................. 11

1.4 嵌入式系统的发展趋势.............................. 12

思考与练习题....................................................... 15

第2章 嵌入式处理器..................................... 16

2.1 引言.............................................................. 16

2.2 嵌入式处理器概述...................................... 16

2.2.1 嵌入式处理器的分类........................... 16

2.2.2 典型的嵌入式处理器........................... 18

2.3 ARM处理器基础........................................ 22

2.3.1 ARM简介............................................. 22

2.3.2 ARM处理器系列................................. 23

2.3.3 ARM处理器体系结构......................... 30

2.3.4 ARM处理器应用选型......................... 36

2.4 ARM指令系统............................................ 37

2.4.1 ARM编程模型..................................... 37

2.4.2 ARM寻址方式..................................... 46

2.4.3 ARM指令集......................................... 50

2.4.4 Thumb指令集....................................... 64

2.5 ARM程序设计基础.................................... 74

2.5.1 ARM汇编语句格式............................. 75

2.5.2 ARM汇编程序格式............................. 75

2.5.3 汇编语言编程实例............................... 76

2.5.4 汇编语言与C语言的混合编程........... 78

思考与练习题....................................................... 85

第3章 嵌入式硬件平台................................ 88

3.1 引言.............................................................. 88

3.2 嵌入式硬件平台概述.................................. 88

3.3 总线.............................................................. 89

3.3.1 总线协议............................................... 90

3.3.2 DMA...................................................... 92

3.3.3 总线配置............................................... 93

3.3.4 总线实例............................................... 94

3.4 存储设备...................................................... 94

3.4.1 嵌入式系统存储器子系统的结构....... 94

3.4.2 RAM...................................................... 96

3.4.3 ROM...................................................... 98

3.4.4 Flash Memory........................................ 99

3.4.5 SD/TF存储卡..................................... 100

3.5 I/O设备...................................................... 102

3.5.1 定时器/计数器.................................... 102

3.5.2 模/数转换器和数/模转换器............... 103

3.5.3 人机接口设备..................................... 103

3.6 通信设备.................................................... 108

3.6.1 通用异步收发器................................. 108

3.6.2 USB设备............................................ 111

3.6.3 Ethernet设备....................................... 116

3.6.4 Wi-Fi.................................................... 117

3.7 其他............................................................ 118

3.7.1 电源..................................................... 118

3.7.2 时钟..................................................... 118

3.7.3 复位..................................................... 119

3.7.4 中断..................................................... 121

思考与练习题..................................................... 122

第4章 BootLoader与设备驱动.............. 123

4.1 引言............................................................ 123

4.2 BootLoader.................................................. 124

4.2.1 BootLoader概述.................................. 124

4.2.2 BootLoader的典型结构...................... 125

4.2.3 实例分析............................................. 128

4.3 设备驱动.................................................... 139

4.3.1 设备驱动概述..................................... 139

4.3.2 LCD驱动控制实例............................ 143

4.3.3 A/D转换功能驱动实例..................... 148

4.3.4 IIS音频接口驱动实例....................... 151

思考与练习题..................................................... 157

第5章 嵌入式操作系统.............................. 158

5.1 引言............................................................ 158

5.2 嵌入式操作系统概述................................ 159

5.2.1 嵌入式实时操作系统......................... 159

5.2.2 典型的嵌入式操作系统..................... 160

5.3 操作系统的基本概念................................ 164

5.3.1 多进程和多线程................................. 164

5.3.2 任务..................................................... 164

5.3.3 任务切换............................................. 166

5.3.4 内核..................................................... 166

5.3.5 任务调度............................................. 166

5.3.6 任务间的通信与同步......................... 168

5.3.7 操作系统的结构和功能..................... 171

5.4 mC/OS-Ⅱ简介............................................ 171

5.4.1 mC/OS-Ⅱ概述..................................... 171

5.4.2 mC/OS-Ⅱ的特点................................. 172

5.4.3 mC/OS-Ⅱ的软件体系结构................. 173

5.5 mC/OS-Ⅱ内核结构.................................... 174

5.5.1 临界段................................................. 174

5.5.2 任务..................................................... 175

5.5.3 任务控制块OS_TCB......................... 176

5.5.4 任务调度............................................. 177

5.5.5 任务管理............................................. 177

5.5.6 中断服务............................................. 178

5.5.7 时钟节拍与时间管理......................... 179

5.5.8 任务间同步与通信的管理................. 180

5.5.9 内存管理............................................. 183

5.5.10 mC/OS-Ⅱ的初始化........................... 184

5.5.11 mC/OS-Ⅱ的启动............................... 185

5.6 mC/OS-Ⅱ在ARM上的移植.................... 185

5.6.1 mC/OS-Ⅱ的移植条件......................... 185

5.6.2 mC/OS-Ⅱ的移植步骤......................... 186

5.6.3 测试移植代码..................................... 191

5.7 基于mC/OS-Ⅱ构建的TCP/IP/PPP

?协议栈........................................................ 191

5.7.1 嵌入式协议栈概述............................. 191

5.7.2 选择协议栈......................................... 192

5.7.3 嵌入式TCP/IP协议栈....................... 192

5.7.4 基于mC/OS-Ⅱ的TCP/IP/PPP

协议栈................................................. 194

思考与练习题..................................................... 196

第6章 嵌入式应用程序设计..................... 197

6.1 引言............................................................ 197

6.2 程序设计方法与技术................................ 197

6.2.1 程序设计方法..................................... 197

6.2.2 程序设计技术..................................... 201

6.2.3 嵌入式程序优化................................. 205

6.3 基于网络的嵌入式系统设计.................... 215

6.3.1 分布式嵌入式系统............................. 215

6.3.2 嵌入式系统网络................................. 221

6.3.3 基于网络的设计示例......................... 235

6.4 基于ARM11 FPGA的图像采集

?处理系统设计............................................ 243

6.4.1 系统总体结构..................................... 244

6.4.2 多路视频信号的采集、缓存和

时序同步............................................. 244

6.4.3 视频信号的压缩编码......................... 246

6.4.4 结论..................................................... 246

思考与练习题..................................................... 247

第7章 系统设计技术................................... 248

7.1 引言............................................................ 248

7.2 设计流程.................................................... 248

7.2.1 开发过程............................................. 248

7.2.2 设计流程............................................. 252

7.3 需求分析与规格说明................................ 255

7.3.1 需求分析............................................. 255

7.3.2 规格说明............................................. 255

7.4 系统分析与体系结构设计........................ 258

思考与练习题..................................................... 259

第8章 嵌入式系统开发调试方法........... 260

8.1 引言............................................................ 260

8.2 嵌入式系统硬件开发基础及流程............ 260

8.2.1 电子元器件的封装............................. 260

8.2.2 PCB基础知识..................................... 262

8.2.3 硬件设计调试中常用工具................. 266

8.3 嵌入式系统交互式开发调试工具............ 267

8.3.1 嵌入式系统集成开发环境................. 267

8.3.2 交互式开发调试方法......................... 282

8.4 其他实用工具............................................ 290

8.4.1 Source Insight...................................... 290

8.4.2 SkyEye................................................. 291

思考与练习题..................................................... 294

附录A 嵌入式专业词汇与缩略语............ 295

附录B ARM指令集列表............................. 304

附录C Thumb指令集列表........................ 306

附录D 汇编预定义变量及伪指令............ 309

附录E mC/OS-Ⅱ内核函数........................ 314

参考文献............................................................... 324