嵌入式軟件設計（第2版）

前言

第1章　嵌入式系統(tǒng)的基礎知識1

1.1　嵌入式系統(tǒng)概述1

1.1.1　嵌入式系統(tǒng)的組成2

1.1.2　嵌入式系統(tǒng)的特點4

1.1.3　嵌入式系統(tǒng)的分類5

1.1.4　學習嵌入式系統(tǒng)應具備的基礎知識6

1.2　嵌入式系統(tǒng)硬件基礎知識7

1.2.1　輸入／輸出接口7

1.2.2　時鐘振蕩電路和時鐘單元8

1.2.3　存儲器8

1.2.4　中斷控制器9

1.2.5　嵌入式微處理器10

1.3　嵌入式系統(tǒng)總線13

1.3.1　片級總線13

1.3.2　板級總線19

1.3.3　系統(tǒng)級總線22

1.3.4　實例：UART串口通信開發(fā)25

1.4　分布式嵌入式系統(tǒng)33

1.4.1　分布式嵌入式系統(tǒng)結構33

1.4.2　嵌入式系統(tǒng)廣域網絡的無線接入方式34

1.4.3　分布式工業(yè)控制嵌入式系統(tǒng)結構35

1.4.4　無線傳感器網絡技術40

1.4.5　邊緣計算43

第2章　嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設計46

2.1　系統(tǒng)思想46

2.1.1　系統(tǒng)的定義及組成47

2.1.2　重要的系統(tǒng)概念48

2.2　系統(tǒng)工程思想49

2.2.1　系統(tǒng)分析49

2.2.2　系統(tǒng)設計50

2.2.3　系統(tǒng)評價52

2.2.4　工程系統(tǒng)建模52

2.2.5　系統(tǒng)生存周期建模與優(yōu)化53

2.3　系統(tǒng)需求定義54

2.3.1　嵌入式系統(tǒng)問題定義55

2.3.2　需求定義的概念57

2.3.3　聯(lián)合應用設計58

2.3.4　嵌入式系統(tǒng)需求定義中常見的問題58

2.4　軟硬件協(xié)同設計60

2.4.1　軟硬件分開設計60

2.4.2　軟硬件協(xié)同設計模型62

2.4.3　軟硬件協(xié)同的嵌入式系統(tǒng)分析與設計63

2.4.4　軟硬件任務劃分與軟硬件接口設計66

2.4.5　仿真驗證69

2.4.6　集成調試與綜合實現69

第3章　實時軟件分析設計方法72

3.1　實時軟件分析設計概述72

3.1.1　實時系統(tǒng)的性能要求73

3.1.2　實時系統(tǒng)的設計要素73

3.1.3　嵌入式實時軟件系統(tǒng)的生存周期74

3.2　結構化需求分析建模75

3.2.1　數據流分析76

3.2.2　控制流分析80

3.2.3　狀態(tài)遷移動態(tài)模型82

3.2.4　實例83

3.3　DARTS系統(tǒng)設計85

3.3.1　劃分任務86

3.3.2　定義任務接口88

3.3.3　人員進出房間系統(tǒng)設計實例89

3.4　簡單嵌入式軟件架構設計93

3.4.1　單線程系統(tǒng)93

3.4.2　事件驅動系統(tǒng)95

3.5　任務設計98

3.5.1　任務設計概述98

3.5.2　人員進出房間系統(tǒng)任務設計實例99

3.6　模塊設計103

3.6.1　模塊設計概述103

3.6.2　人員進出房間系統(tǒng)模塊設計實例104

3.7　任務與系統(tǒng)集成104

3.8　實時軟件分析設計方法—CODARTS104

第4章　復雜嵌入式軟件分析設計106

4.1　面向對象需求分析106

4.1.1　面向對象需求定義106

4.1.2　面向對象需求分析建模113

4.1.3　面向對象需求規(guī)格說明書122

4.2　確定系統(tǒng)設計目標124

4.3　復雜嵌入式軟件架構設計127

4.3.1　系統(tǒng)分解127

4.3.2　子系統(tǒng)到軟硬件的映射130

4.3.3　開發(fā)環(huán)境和已有組件的選擇131

4.3.4　并發(fā)134

4.3.5　持續(xù)數據管理136

4.3.6　訪問控制策略136

4.3.7　全局控制流機制136

4.3.8　邊界條件的處理137

4.4　人機交互設計137

4.5　預期變化139

4.5.1　設計模式概述140

4.5.2　適配器設計模式141

4.5.3　中斷設計模式143

4.5.4　設計模式的應用146

4.6　嵌入式軟件設計中應注意的問題148

第5章　嵌入式操作系統(tǒng)與移植149

5.1　嵌入式操作系統(tǒng)的特點149

5.2　嵌入式操作系統(tǒng)的分類150

5.3　幾種代表性的嵌入式操作系統(tǒng)151

5.4　常見的嵌入式操作系統(tǒng)結構154

5.4.1　單塊結構154

5.4.2　層次結構154

5.4.3　客戶/服務器結構（微內核結構）155

5.5　FreeRTOS移植156

5.5.1　FreeRTOS簡介156

5.5.2　FreeRTOS源碼目錄結構157

5.5.3　FreeRTOS移植實例158

第6章　板級支持包與設備驅動161

6.1　BSP技術概述161

6.1.1　什么是BSP161

6.1.2　BSP的作用與功能162

6.1.3　常見的BSP實現方式和開發(fā)方法162

6.1.4　主流嵌入式操作系統(tǒng)及其BSP技術164

6.2　嵌入式系統(tǒng)的硬件初始化技術167

6.2.1　嵌入式系統(tǒng)的硬件初始化167

6.2.2　BSP與PC中BIOS硬件初始化的比較168

6.3　嵌入式系統(tǒng)的引導技術169

6.3.1　Boot Loader概述169

6.3.2　嵌入式Linux的Boot Loader設計思想170

6.4　嵌入式系統(tǒng)的設備驅動程序171

6.4.1　驅動程序的重要性171

6.4.2　機制與策略的問題172

6.4.3　設備驅動的分層管理173

6.4.4　設備類型和設備號173

6.4.5　模塊化編程174

6.4.6　設備文件接口175

6.4.7　字符驅動程序編寫實例175

6.5　實例：STM32設備驅動程序179

6.5.1　時鐘系統(tǒng)179

6.5.2　GPIO180

6.5.3　中斷182

6.5.4　定時器186

6.5.5　ADC189

第7章　嵌入式數據庫192

7.1　嵌入式數據庫概述192

7.1.1　嵌入式數據庫的特點192

7.1.2　嵌入式數據庫的體系結構193

7.2　嵌入式數據庫的分類195

7.3　數據庫應用設計196

7.4　基于SQLite的嵌入式軟件持續(xù)數據管理 198

7.4.1　SQLite簡介198

7.4.2　SQLite應用201

7.4.3　SQLite開發(fā)環(huán)境移植207

第8章　嵌入式軟件圖形用戶界面設計211

8.1　人機交互界面設計概述211

8.1.1　人機交互技術211

8.1.2　用戶界面設計原則212

8.1.3　界面設計活動212

8.1.4　界面評價213

8.2　圖形用戶界面概述213

8.2.1　圖形用戶界面的基本特征214

8.2.2　圖形用戶界面的結構模型214

8.2.3　圖形用戶界面的實現215

8.3　圖形用戶界面與嵌入式系統(tǒng)216

8.3.1　嵌入式圖形用戶界面的特點216

8.3.2　嵌入式系統(tǒng)的圖形用戶界面開發(fā)方案216

8.3.3　嵌入式圖形用戶界面的體系結構層次217

8.3.4　嵌入式圖形用戶界面主要技術分析219

8.4　使用Qt/Embedded實現圖形化界面設計222

8.4.1　Qt/Embedded的架構222

8.4.2　搭建Qt/Embedded開發(fā)環(huán)境223

8.4.3　編寫Qt/Embedded程序225

8.5　C語言圖形界面編程227

8.5.1　幀緩沖區(qū)227

8.5.2　Framebuffer227

8.5.3　Framebuffer核心函數229

8.5.4　Framebuffer編程230

第9章　嵌入式軟件可靠性設計232

9.1　可靠性概述232

9.2　可靠性涉及的性能指標233

9.3　嵌入式系統(tǒng)的可靠性設計234

9.3.1　嵌入式系統(tǒng)硬件可靠性設計235

9.3.2　常用元器件的可靠性分析236

9.3.3　提高嵌入式系統(tǒng)可靠性的具體措施237

9.4　嵌入式軟件的可靠性設計238

9.4.1　軟件可靠性與硬件可靠性的區(qū)別238

9.4.2　影響軟件可靠性的因素 239

9.4.3　提高軟件可靠性的方法和技術239

9.4.4　軟件產品可靠性的評估242

9.4.5　嵌入式軟件的可靠性設計243

9.5　可靠性的管理245

第10章　資源管理247

10.1　功耗247

10.1.1　功耗簡介247

10.1.2　基于硬件的低功耗設計249

10.1.3　基于軟件的低功耗設計251

10.1.4　嵌入式低功耗的軟硬件協(xié)同設計254

10.2　電源254

10.2.1　電源基礎知識254

10.2.2　電源管理技術255

10.2.3　常用的節(jié)電方法258

10.3　內存管理259

10.3.1　內存管理概述259

10.3.2　基本內存管理方案262

10.3.3　常見實時系統(tǒng)的內存管理模式263

10.3.4　內存泄漏268

10.3.5　內存保護269

第11章　嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境270

11.1　嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境概述270

11.2　嵌入式軟件調試方法概述272

11.2.1　駐留監(jiān)控軟件調試方法272

11.2.2　基于JTAG方式的調試代理273

11.2.3　指令集模擬器273

11.2.4　在線仿真器 273

11.2.5　ARM中基于JTAG的調試系統(tǒng) 274

11.3　Linux 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境275

11.3.1　嵌入式Linux概述275

11.3.2　嵌入式Linux開發(fā)環(huán)境架構276

11.3.3　Linux開發(fā)工具278

11.3.4　實例：建立嵌入式Linux-ARM開發(fā)環(huán)境285

11.3.5　實例：實現“Hello World”程序286

11.4　FreeRTOS嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境287

參考文獻293