嵌入式系统设计师教程

目 录 第 1 章 计算机系统基础知识 · 1 1.1 嵌入式计算机系统概述 · 1. 1.2 数据表示 4. 1.2.1 进位计数制及转换 4. 1.2.2 数值型数据的表示 6. 1.2.3 其他数据的表示 10. 1.2.4 校验码 · 13. 1.3 算术运算和逻辑运算 · 17. 1.3.1 算术运算 · 17. 1.3.2 逻辑运算 · 20. 1.4 计算机硬件组成及主要部件 功能 22. 1.4.1 中央处理单元 22. 1.4.2 存储器 · 25. 1.4.3 总线 · 35. 1.4.4 输入/输出控制 38. 1.5 计算机体系结构· 42. 1.6 可靠性与系统性能评测基础 知识 49. 1.6.1 计算机可靠性 49. 1.6.2 计算机系统的性能评价 52. 第 2 章 嵌入式系统硬件基础知识 56 2.1 数字电路基础 56 2.1.1 信号特征 · 56. 2.1.2 组合逻辑电路和时序逻辑 电路 · 56. 2.1.3 信号转换 · 60. 2.1.4 可编程逻辑器件 62. 2.2 嵌入式微处理器基础 · 63 2.2.1 嵌入式微处理器的结构和 类型 · 65. 2.2.2 嵌入式微处理器的异常与 中断 · 71. 2.3 嵌入式系统的存储体系 · 74. 2.3.1 存储系统的层次结构 74. 2.3.2 内存管理单元 74. 2.3.3 RAM 和 ROM 的种类与 选型 · 75. 2.3.4 高速缓存(Cache) 78. 2.3.5 其他存储设备 80. 2.4 嵌入式系统 I/O 83. 2.4.1 通用输入/输出接口 · 83. 2.4.2 模数/数模接口 · 84. 2.4.3 键盘、显示、触摸屏等 接口基本原理与结构 85. 2.4.4 嵌入式系统音频、视频 接口 · 87. 2.4.5 输入/输出控制 · 89. 2.5 定时器和计数器 · 89. 2.5.1 硬件定时器 · 89. 2.5.2 软件定时器 · 90. 2.5.3 可编程间隔定时器 90. 2.6 嵌入式系统总线及通信接口 · 91. 2.6.1 PCI、PCI-E 等接口基本 原理与结构 · 91. 2.6.2 USB、串口等基本原理与 结构 · 94. 2.6.3 以太网、WLAN 等基本 原理与结构 · 99. 嵌入式系统设计师教程(第 2 版) IV IV 2.6.4 Rapid IO 等基本原理与 结构 · 105. 2.7 嵌入式 SoC 106. 2.7.1 Virtex 系列 106. 2.7.2 Spartan 系列 107. 第 3 章 嵌入式硬件设计 108 3.1 嵌入式系统电源管理 · 108. 3.2 电子电路设计 111. 3.2.1 电子电路设计基础知识 111. 3.2.2 PCB 设计基础知识 · 116. 3.2.3 电子电路测试基础知识 129. 3.3 Cadence PCB 系统设计 130. 3.3.1 原理图设计输入工具 131. 3.3.2 PCB 设计系统 · 133. 3.3.3 自动和交互布线工具 134. 3.3.4 库管理 · 134. 3.3.5 约束管理器 · 135. 第 4 章 嵌入式系统软件基础知识 136 4.1 嵌入式软件基础· 136 4.1.1 嵌入式系统 · 136. 4.1.2 嵌入式软件 · 139. 4.1.3 嵌入式软件分类 141. 4.1.4 嵌入式软件体系结构 141. 4.1.5 设备驱动层 · 144. 4.1.6 嵌入式中间件 146. 4.2 嵌入式操作系统概述 · 146. 4.2.1 嵌入式操作系统的分类 149. 4.2.2 常见的嵌入式操作系统 152. 4.3 任务管理 155. 4.3.1 多道程序技术 156. 4.3.2 进程、线程和任务 157. 4.3.3 任务的实现 · 159. 4.3.4 任务的调度 · 162. 4.3.5 实时系统调度 167. 4.3.6 任务间的同步与互斥 169. 4.3.7 任务间通信 · 176. 4.4 存储管理 178. 4.4.1 存储管理概述 178. 4.4.2 实模式与保护模式 179. 4.4.3 分区存储管理 179. 4.4.4 地址映射 · 184. 4.4.5 页式存储管理 188. 4.4.6 虚拟存储管理 193. 4.5 设备管理 197. 4.5.1 设备管理基础 197. 4.5.2 I/O 控制方式 · 198. 4.5.3 I/O 软件 · 201. 4.6 文件系统 203. 4.6.1 嵌入式文件系统概述 204. 4.6.2 文件和目录 · 205. 4.6.3 文件系统的实现 207. 4.6.4 典型嵌入式文件系统 介绍 · 210. 4.7 嵌入式数据库 212. 4.7.1 嵌入式系统对数据库的 特殊要求 · 212. 4.7.2 典型嵌入式数据库介绍 213. 第 5 章 嵌入式系统设计与开发 215 5.1 嵌入式软件开发概述 · 215. 5.1.1 嵌入式应用开发的过程 215. 5.1.2 嵌入式软件开发的特点 216. 5.1.3 嵌入式软件开发的挑战 217. 5.2 嵌入式软件开发环境 · 218. 5.2.1 宿主机和目标机 219. 5.2.2 嵌入式软件开发工具 221. 5.2.3 集成开发环境 227. 5.3 嵌入式软件开发 · 232. 5.3.1 嵌入式平台选型 232. 5.3.2 软件设计 · 233. 5.3.3 特性设计技术 238. 目 录 V V 5.3.4 嵌入式软件的设计约束 241. 5.3.5 编码 · 244. 5.3.6 下载和运行 · 247. 5.4 嵌入式软件移植· 247. 5.4.1 无操作系统的软件移植 248. 5.4.2 有操作系统的软件移植 249. 5.4.3 应用软件的移植 250. 第 6 章 嵌入式程序设计 252 6.1 程序设计语言基础 · 252. 6.1.1 程序设计语言概述 252. 6.1.2 程序设计语言的分类和 特点 · 253. 6.1.3 程序设计语言的基本成分 256. 6.1.4 程序设计语言的翻译基础 260. 6.2 汇编语言程序设计 · 271. 6.2.1 汇编语言概述 271. 6.2.2 汇编语言程序 271. 6.3 C 程序设计基础 · 276. 6.3.1 C 程序基础 276. 6.3.2 函数 · 291. 6.3.3 存储管理 · 294. 6.3.4 指针 · 297. 6.3.5 栈与队列 · 306. 6.3.6 C 程序内嵌汇编 312. 6.4 C++程序设计基础 · 313. 6.4.1 面向对象基本概念 313. 6.4.2 C++程序基础 316. 6.4.3 类与对象 · 319. 6.4.4 继承与多态 · 326. 6.4.5 异常处理 · 330. 6.4.6 类库 · 332. 第 7 章 嵌入式系统的项目开发与 维护知识 · 334 7.1 系统开发过程和项目管理 · 334. 7.1.1 系统生存周期 334. 7.1.2 过程模型 · 336. 7.1.3 过程评估 · 342. 7.1.4 工具与环境 · 344. 7.1.5 项目管理 · 347. 7.1.6 质量保证 · 351. 7.2 系统分析知识 354. 7.2.1 系统需求的定义 355. 7.2.2 需求分析的基本任务 355. 7.2.3 需求建模 · 355. 7.3 系统设计知识 356. 7.3.1 系统概要设计 357. 7.3.2 系统详细设计 357. 7.3.3 系统设计原则 358. 7.3.4 软硬件协同设计方法 360. 7.4 结构化分析与设计方法 · 362. 7.4.1 结构化分析方法 363. 7.4.2 结构化设计方法 366. 7.4.3 结构化程序设计方法 370. 7.5 面向对象分析与设计方法 · 370. 7.5.1 面向对象分析与设计 370. 7.5.2 UML 构造块 372. 7.5.3 设计模式 · 377. 7.6 系统实施知识 385. 7.6.1 软硬件平台搭建 386. 7.6.2 系统测试 · 386. 7.6.3 系统调试 · 388. 7.7 系统运行与维护 · 389. 7.7.1 系统运行管理 389. 7.7.2 系统维护概述 390. 7.7.3 系统评价 · 393 第 8 章 嵌入式系统软件测试 · 395 8.1 软件测试概述 395 8.1.1 软件测试的定义 395. 8.1.2 软件测试的发展 396. 嵌入式系统设计师教程(第 2 版) VI VI 8.1.3 软件测试与软件开发的 关系 · 398. 8.2 嵌入式软件测试技术 · 398 8.2.1 测试过程 · 399. 8.2.2 测试方法 · 403. 8.2.3 测试类型 · 410. 8.2.4 测试工具 · 416. 8.2.5 测试环境 · 417. 8.3 软件测试实践 419 8.3.1 面向对象的软件测试 419. 8.3.2 基于模型的软件测试 420. 8.3.3 基于模型开发软件的测试 421. 8.3.4 分布式软件测试 421. 8.3.5 测试实例 · 422. 第 9 章 嵌入式系统安全性基础 知识 434 9.1 计算机信息系统安全概述 · 434. 9.1.1 信息系统安全 434. 9.1.2 网络安全 · 435. 9.1.3 风险管理 · 437. 9.2 信息安全基础 439. 9.2.1 数据加密原理 439. 9.2.2 数据加密算法 439. 9.2.3 认证算法 · 442. 9.3 安全威胁防范 444. 9.3.1 防治计算机病毒 444. 9.3.2 认证 · 447. 9.3.3 数字签名 · 448. 9.3.4 报文摘要 · 449. 9.3.5 数字证书 · 450. 9.4 嵌入式系统安全方案 · 452. 9.4.1 智能卡安全技术 452. 9.4.2 USB-Key 技术 · 452. 9.4.3 智能终端的安全技术 453. 9.4.4 行业工控系统安全 454. 第 10 章 标准化、信息化与知识 产权基础知识 · 456 10.1 标准化基础知识 · 456. 10.1.1 概述 · 456. 10.1.2 信息技术标准化 462. 10.1.3 标准化组织 464. 10.1.4 ISO 9000 标准简介 466. 10.1.5 ISO/IEC 15504 过程评估 标准简介 · 468. 10.1.6 嵌入式系统相关标准 简介 · 469. 10.2 信息化基础知识 · 470. 10.2.1 概述 · 470. 10.2.2 信息化发展趋势 471. 10.2.3 信息化应用 474. 10.3 知识产权基础知识 · 475. 10.3.1 概述 · 476. 10.3.2 计算机软件著作权 478. 10.3.3 计算机软件的商业 秘密权 · 490. 10.3.4 专利权概述 492. 10.3.5 企业知识产权的保护 496. 第 11 章 嵌入式系统设计案例分析 498 11.1 嵌入式系统总体设计 · 498. 11.1.1 嵌入式系统设计概述 499. 11.1.2 案例分析 504. 11.2 嵌入式系统硬件设计 · 536. 11.2.1 嵌入式系统硬件设计 概述 · 536. 11.2.2 嵌入式系统软硬件协同 设计 · 537. 11.2.3 案例分析 537. 11.3 嵌入式系统应用设计案例 · 569