嵌入式系统设计师教程（第2版）

本书是全国计算机专业技术资格考试办公室组织编写的考试指定用书，内容紧扣《嵌入式系统设计师考试大纲》(2019 年审定通过)，对嵌入式系统设计师资格所要求的主要知识及应用技术进行了阐述全书共 11 章，主要内容包括计算机系统基础知识，嵌入式系统硬件基础知识，嵌入式硬件设计，嵌入式系统软件基础知识，嵌入式系统设计与开发，嵌入式程序设计，嵌入式系统的项目开发与维护知识，嵌入式系统软件测试，嵌入式系统安全性基础知识，标准化、信息化与知识产权基础知识，嵌入式系统设计案例分析。 本书内容涉及知识广泛，结构清晰、合理，既可作为全国计算机技术与软件专业技术资格(水平)考试中的嵌入式系统设计师级别的考试用书，也可作为高等院校嵌入式系统相关课程的教材。

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 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 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 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

崔西宁，研究员，中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所，工业和信息化部教育考试中心软考研究院成员。多年从事计算机技术与软件专业技术资格考试研究与命题工作，曾参与多本软考教材教辅的编写工作。

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