第1章概述1
1.1背景延伸： 現代信息與計算概念的緣起1
1.1.1麥克斯韋妖、信息與智慧1
1.1.2計算理論與技術的出現3
1.1.3現代計算機技術的誕生與演化5
1.1.4電子通信與網絡技術發展8
1.2理解嵌入式繫統9
1.2.1計算裝置的可嵌入發展9
1.2.2嵌入式繫統內涵的演化11
1.2.3相關術語辨析15
1.3嵌入式繫統的組成與特點17
1.3.1組成結構17
1.3.2技術特點與發展趨勢18
1.4知識體繫23
1.5小結26
習題26

第2章嵌入式硬件基礎27
2.1器件和電路術語件27
2.1.1器件術語27
2.1.2電路術語30
2.1.件32
2.2嵌入式繫統硬件組成38
2.2.1硬件基本架構模型38
2.2.2處理器子繫統39
2.2.3存儲子繫統41
2.2.4時鐘子繫統42
2.2.5I/O子繫統44
2.3嵌入式繫統硬件典型形式44
2.3.1基於通用計算機擴展的嵌入式硬件44
2.3.2基於領域標準模塊集成的嵌入式硬件45
2.3.3面向具體產品的專用嵌入式硬件47
2.4硬件設計基本方法48
2.4.1Protel EDA軟件48
2.4.2電路設計基本流程51
2.4.3電磁兼容性問題53
2.4.4低功耗問題57
2.4.5嵌入式硬件設計示例58
2.5小結67
習題67

第3章嵌入式處理器68
3.1處理器模型與邏輯體繫68
3.1.1處理器基本組成模型 68
3.1.2典型處理器架構72
3.2嵌入式處理器的類型及特點76
3.2.1嵌入式微控制器76
3.2.2嵌入式微處理器78
3.2.3數字信號處理器80
3.2.4可編程邏輯器件83
3.2.5片上繫統91
3.2.6多核、眾核處理器94
3.3典型嵌入式處理器體繫102
3.3.1ARM架構102
3.3.2MIPS架構117
3.3.3PowerPC架構122
3.4性能評價指標131
3.5小結133
習題133

第4章嵌入式存儲技術134
4.1基本存儲體繫與模型134
4.1.1嵌入式繫統存儲體繫134
4.1.2存儲器結構模型135
4.1.3存儲器基本操作流程136
4.1.4存儲器指標137
4.2存儲器分類及特性139
4.2.1隻讀存儲器139
4.2.2隨機存儲器144
4.2.3混合存儲器155
4.3存儲器測試與驗證173
4.3.1可讀寫存儲器的測試173
4.3.2隻讀存儲器測試174
4.4小結176
習題176

第5章最小繫統與外圍電路設計178
5.1理解最小繫統178
5.2電源電路179
5.2.1電源電路設計方法179
5.2.2延伸： 電源管理與低功耗設計183
5.3復位電路187
5.3.1上電復位188
5.3.2手動復位193
5.3.3看門狗復位195
5.3.4軟件復位196
5.4時鐘電路200
5.4.1信號源： 振蕩電路原理200
5.4.2多時鐘管理205
5.4.3延伸： 時鐘管理與低功耗設計211
5.5電路抖動與消抖211
5.5.1抖動現像與危害211
5.5.2硬件消抖213
5.5.3軟件消抖215
5.6小結217
習題217

第6章接口、總線與網絡擴展218
6.1通用I/O與串行總線218
6.1.1GPIO218
6.1.2SPI222
6.1.3SDIO231
6.1.4I2S236
6.1.5I2C242
6.1.6UART與USART246
6.2典型工業總線、背板總線及網絡258
6.2.1CAN總線258
6.2.2實時工業以太網268
6.2.3VP線274
6.3無線接口與網絡281
6.3.1ZigBee281
6.3.2藍牙287
6.3.3WiFi299
6.3.4NFC301
6.4小結306
習題306

第7章嵌入式軟件結構與基礎軟件組件308
7.1計算繫統的啟動與運行過程308
7.1.1通用計算機啟動過程分析308
7.1.2嵌入式繫統啟動過程分析309
7.2嵌入式軟件結構312
7.2.1基於裸機的嵌入式軟件結構312
7.2.2基於嵌入式操作繫統的嵌入式軟件結構313
7.3基礎軟件組件315
7.3.1ROM Monitor315
7.3.2BootLoader318
7.3.3BSP326
7.3.4虛擬機監控程序336
7.3.5容器、微服務與雲原生 344
7.4小結346
習題347

第8章嵌入式操作繫統及其服務機制348
8.1架構與模型348
8.1.1宏內核、微內核與超微內核348
8.1.2功能模型350
8.2服務機制353
8.2.1基本概念353
8.2.2關於實時364
8.2.3內核服務機制369
8.3典型嵌入式操作繫統387
8.3.1RTX51387
8.3.2μC/OS388
8.3.3嵌入式Linux繫列390
8.3.4VxWorks395
8.3.5SylixOS397
8.3.6鴻蒙操作繫統400
8.3.7其他嵌入式操作繫統402
8.4小結407
習題407

第9章嵌入式軟件組件409
9.1嵌入式圖形庫與圖形組件409
9.1.1μC/GUI與emWin409
9.1.2NanoX Window412
9.1.3MiniGUI413
9.1.4Qt419
9.1.5可編程圖形界面屏423
9.2嵌入式文件繫統424
9.2.1JFFS/JFFS2425
9.2.2YAFFS/YAFFS2428
9.2.3UBIFS432
9.2.4隻讀文件繫統434
9.2.5RAM文件繫統435
9.3嵌入式數據庫437
9.3.1SQLite438
9.3.2Berkeley DB439
9.3.3eXtremeDB441
9.4嵌入式網絡協議棧443
9.5小結444
習題444

第10章嵌入式應用軟件設計方法445
10.1嵌入式應用軟件典型結構445
10.1.1輪轉結構445
10.1.2前後臺軟件結構447
10.1.3函數隊列調度結構450
10.1.4基於嵌入式操作繫統的軟件結構451
10.2中斷與數據共享問題453
10.2.1中斷服務程序設計453
10.2.2避免/消除數據共享457
10.3嵌入式軟件設計機制464
10.3.1可重入代碼設計464
10.3.2軟件看門狗方法468
10.3.3避免頻繁地創建、銷毀任務471
10.3.4基於狀態機方法設計軟件邏輯472
10.3.5FPGA IP核開發流程473
10.3.6生成可執行的嵌入式軟件474
10.4軟件工程方法484
10.4.1模型驅動的開發方法： 從V模型到Y模型484
10.4.2軟硬件協同設計486
10.4.3DevOps方法487
10.4.4制定編碼規範489
10.5小結491
習題491

第11章調試、測試與仿真方法492
11.1嵌入式軟件調試492
11.1.1基於宿主機的調試493
11.1.2ROM Monitor軟件調試495
11.1.3ROM仿真器496
11.1.4在線仿真器497
11.1.5JTAG調試499
11.2嵌入式軟件測試501
11.2.1基本測試方法與指標502
11.2.2測試工具的使用507
11.3繫統仿真驗證技術511
11.3.1計算機仿真方法及其原理512
11.3.2可視化技術514
11.4小結516
習題516

後記517

參考文獻518

本書第1版於2017年由清華大學出版社出版。在此後的5年多時間裡，本書得到了高校師生及業界工程技術人員的廣泛關注。在此期間，作者陸續收到了來自多個教學團隊和很多讀者的問題咨詢和建議反饋，其中涉及課程的內容組織、知識闡述、教學方法、課程資源、習題分析等諸多方面。在這些反饋中，普遍對本書所呈現的多維融合嵌入式繫統知識體繫給予了高度評價，認為本書從宏觀到微觀、從模型到具像、從硬件到軟件的多維融合知識體繫組織方式有效破解了嵌入式繫統知識體繫中的“樹木、森林在有限篇幅內難以兼顧”的內容組織難題，深入淺出、內容豐富且實用易學。因此，本書得到了越來越多的人認可，被國內30多所高校（包括雙一流高校）以及中國航空研究院研究生院等作為主要教學資源。同時，作者負責組織建設並主講的嵌入式繫統課程已被評為西北工業大學課程思政示範課程、一流本科課程（線下一流課程）、高水平在線開放課程及在線示範課程，並獲得西北工業大學優秀教學成果獎一等獎和二等獎。教材和課程獲得的廣泛好評使得作者15個月潛心著述所付出的艱辛實現了價值的彰顯和升華，對於作者是一種極大的寬慰、鼓舞和鞭策。
信息技術日新月異，嵌入式繫統技術快速演化，5年對於嵌入式繫統類的專業圖書已是較為漫長的時間了。為此，在清華大學出版社的建議下，作者於2021年下半年開始對第1版內容進行修訂，經過大半年的技術資料查閱以及增刪改等修訂工作，最終完成了本書的第2版。本書第2版內容的組織依然以多維融合的知識體繫為主要框架，具體分為嵌入式繫統概述、數字電路與嵌入式硬件、嵌入式軟件與嵌入式開發方法四大部分，共11章，知識框架如圖1所示。其中，第1章為概述，第2～6章為數字電路與嵌入式硬件，第7～10章為嵌入式軟件，第11章為嵌入式繫統開發方法。
圖1本書的知識架構
具體內容安排及修訂情況簡要說明如下。
第1章從科技歷史與文化著手，從現代信息科學、計算科學、通信技術及網絡技術等的交叉融合和發展導入，以泛在計算、信息物理融合計算為背景分析了嵌入式（計算機）繫統的經典、高階概念及其內涵，重點討論了計算裝置的可嵌入式發展過程以及嵌入式繫統、組成、特點、趨勢，對嵌入式繫統與信息物理繫統（CPS）、物聯網（IoT）的聯繫及區別進行了辨析。同時，對習題進行了重新設計。
第2章總結、論述了與本書後續內容密切相關的硬件電路知識；進而闡述了嵌入式硬件的架構模型與子繫統組成、典型嵌入式繫統的硬件形式以及基本的硬件設計方法。第2版重點對集電極開路、上/下拉電阻、漏極開路與推挽電路、習題等內容進行了修訂。需要說明的是，本章所涉及的電路、硬件等知識是從本書後續內容的需要中反向歸納得出的，是必要但非充分的。
第3章從嵌入式處理器的組成模型和典型邏輯架構出發，總結、闡述了不同類型嵌入式處理器的體繫、組成、特點及差異，在此基礎上分析了幾種典型嵌入式處理器體繫的機制和特性。第2版增加了RISCV指令集及處理器，總結、更新了ARM、SoC、AI（眾核）計算等處理器的最新發展及特性，並對習題進行了重新設計。
第4章歸納、討論了嵌入式存儲器子繫統的體繫與模型，重點分析了不同類型存儲器的架構、原理、特性以及微觀的電路機制，並對存儲器的測試與驗證方法進行了簡要介紹。第2版重點對混合存儲器、新存儲技術以及習題進行了重新設計。
第5章圍繞最小繫統硬件設計，闡述了電源、復位、時鐘等外圍電路的基本工作原理與設計機制，並對相關知識進行了延伸討論。第2版增加了最小繫統的內容，更新了時鐘電路、低功耗設計等內容，重新設計了習題。
第6章面向完整的嵌入式繫統硬件設計需要，論述了通用和典型I/O與總線的原理、特性及應用機制。第2版對SPI接口、VP線、藍牙、WiFi等內容進行了修訂和更新，對習題進行了重新設計。
第7章在分析嵌入式繫統啟動與運行過程的基礎上，總結了嵌入式軟件繫統的典型架構，重點對繫統軟件中基礎軟件組件的機制與特性進行了分析和討論。第2版對嵌入式繫統啟動過程與模式、Boot Loader、BSP等內容、示例進行了修訂，並增加了對容器、微服務與雲原生的討論，重新設計了習題。
第8章繫統地討論了嵌入式操作繫統的相關內容。本章首先歸納了嵌入式操作繫統的架構模型，進而分析了不同嵌入式操作繫統所呈現的共性服務機制和特性，最後給出了幾個典型嵌入式操作繫統的實例分析。第2版對微內核、EOS模型、優先級翻轉問題的解決方法、實時性與實時繫統、內核服務等內容進行了全面修訂，典型嵌入式操作繫統部分刪掉了Windows Embedded繫列操作繫統的分析，增加了SylixOS、鴻蒙等典型國產操作繫統的分析，重新設計了習題。
第9章結合典型軟件實現分析和討論了嵌入式圖形庫、文件繫統、數據庫、協議棧等嵌入式軟件組件的原理與機制。第2版與第1版內容基本一致，主要修改了第1版中的錯誤，補充了習題。
第10章綜合闡述了嵌入式應用軟件的設計方法，包括嵌入式應用軟件典型結構、中斷與數據共享問題、嵌入式軟件設計機制以及軟件工程方法等。第2版對模塊化任務設計、中斷服務程序設計等內容進行了修訂，增加了對Dev(Sec)Ops方法的討論，重新設計了習題。
第11章根據嵌入式繫統的開發特點，總結了嵌入式軟件與繫統開發過程中的調試、測試及仿真驗證等技術的基本原理、工作機制和實施方法。第2版與第1版內容基本一致，更新了部分示例和內容。
本書寫作采用了整體體繫貫穿與局部深度剖析相結合、共性機理歸納與設計案例分析相呼應的思路，繫統、生動又深入淺出地呈現了嵌入式繫統技術所涉及的體繫架構、技術原理與設計方法等，第2版在強調新穎性、技術性、思想性的同時又進一步提升了實用性和易讀性。
除了對專業內容的修訂之外，第2版中還引用了《柏拉圖與技術獃子》等以數字技術為主要背景的科技哲學著作中的內容，進而形成了包括科技事例、科技文化和科技哲學等在內的課素，期望能為讀者提供超出技術本身的更高層次的知識營養。
在本書的寫作過程中，作者得到了同行、親友的關心、鼓勵與熱心幫助，他們是我不斷前行的動力，作者在此一並表示感謝。特別感謝中國計算機學會嵌入式繫統專業委員會主任、西安電子科技大學副校長王泉教授，西北工業大學副校長張艷寧教授，西北工業大學軟件學院院長鄭江濱教授，西北工業大學計算機學院院長尚學群教授等。感謝在書稿校對中付出智慧和辛勤努力的趙啟迪、馮靖凱、李強、茆漢兵、杜長怡、龔祖、王天洋、李丘剛、裴伯昊等多位研究生。
感謝我的家人！母親在電話裡時時叮囑我： 邁入中年，要在工作中注意休息和身體。戎馬躬耕一生的父親已離我遠去，但他潛心求學、迎難而上、踏實肯干的精神已深深融入我的生命，也在我們家庭中長久延續。
感謝我的夫人李瑜女士給予的支持和照顧，感謝嘉航、嘉芮兩位少年給我帶來的教育挑戰和樂趣。讓我們在大愛中共同成長、一起進步！

張凱龍西北工業大學軟件學院教授中國計算機學會嵌入式繫統專業委員會秘書長2023年5月於西安