Raspberry Pi嵌入式系统入门与应用实作 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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　　嵌入式系统在科学与日常生活中的应用非常广泛，而目前最热门的嵌入式系统，首推Arduino与Raspberry Pi。Arduino提供的学习套件较多，程式简单易懂，因此非资讯专业的创客玩家很容易就可以上手；而Raspberry Pi则是完整的微型电脑，配备作业系统，且使用正规的程式语言，因此相当适合资讯相关专业人才学习与入门。以现在当红的物联网来说，Raspberry Pi嵌入式系统就可以扮演关键的角色，在建构物联网应用之前，可以先了解嵌入式系统的软硬体原理与设计方法。

　　书中以主题方式介绍相关概念，并使用Raspberry Pi作为实验平台，实际动手进行嵌入式系统实作，并提供相关范例档，内容涵盖：硬体(Hardware)、软体(Software)、网路(Network)、多媒体(Multimedia)等课题，从做中学，快速入门。

　　本书适用对象：对于Raspberry Pi嵌入式系统应用或物联网应用具有兴趣的人士，包含：资讯相关领域 (资讯、电机、电子等科系) 的大专生、专业研发人员或创客玩家等。

　　适用Raspberry Pi 3 & 2

深度解析：现代微控制器编程与项目实践 本书聚焦于当前电子工程、物联网（IoT）和嵌入式系统开发领域中最为关键和前沿的技术栈，旨在为读者提供一套全面、深入且高度实用的知识体系，助力其从基础理论构建到复杂系统实现的跨越。 本书将完全侧重于基于主流、高性能微控制器架构（如ARM Cortex-M系列的高端型号、ESP32系列的高级特性，以及部分针对特定应用的RISC-V内核的实践应用）的软件开发、硬件接口设计和系统级优化。 --- 第一部分：高级微控制器架构与底层驱动开发 本部分深入探讨现代嵌入式处理器核心的工作原理、内存管理机制以及高效的底层软件开发技巧。 第一章：高性能微控制器核心剖析 本章将详细解析当前工业界主流的32位微控制器核心架构，重点放在指令集效率、流水线操作、异常与中断处理机制的深度优化。内容涵盖： Cortex-M系列（M4/M7/M33）的深入对比： 不仅仅是特性罗列，而是针对FPU（浮点单元）的使用效率、缓存（Cache）一致性管理（尤其在M7及以上级别），以及总线矩阵（AXI/AHB）冲突解决策略进行实战分析。 内存保护单元（MPU）的高级配置： 如何利用MPU实现任务隔离，为后续的实时操作系统（RTOS）打下坚实的安全和稳定基础。探讨运行时动态配置MPU区域的方法。 时钟树与电源管理的高效配置： 深入讲解锁相环（PLL）的倍频与分频对系统稳定性和功耗的影响，以及如何编程实现动态电压与频率调节（DVFS）以应对不同负载需求。 第二章：寄存器级编程与标准外设驱动 本章强调“理解硬件才能写出最佳代码”的理念，完全摒弃高级抽象库的直接使用，专注于通过直接操作寄存器来实现对核心外设的控制。 通用异步收发器（UART）的波特率精确生成与DMA传输： 详细解析波特率发生器的数学模型，并实现基于DMA（直接内存访问）的零CPU干预的连续数据流传输，重点关注DMA的环形缓冲区（Circular Mode）配置。 定时器/计数器（Timer/Counter）的复杂应用： 深入讲解PWM（脉冲宽度调制）的高级模式，如互补输出、死区插入（Dead-Time Insertion）在电机控制中的应用。同时，讲解如何利用输入捕获模式实现高精度信号测量。 模数转换器（ADC）的高速采样与多通道交错： 探讨如何配置流水线模式（Pipeline Mode）和触发源，以实现最大吞吐量的多通道同步采样。解析采样和保持电路的工作原理。 SPI/I2C的冲突检测与仲裁机制： 针对总线竞争环境，实现主机模式下的错误重试逻辑和从机模式下的数据完整性校验。 第三章：高级通信协议栈实现 本部分着重于在资源受限的微控制器上实现复杂的、基于TCP/IP或低功耗无线标准的网络通信功能。 嵌入式TCP/IP栈的精简优化： 介绍lwIP等轻量级协议栈的内存池管理、ARP解析过程，以及如何针对特定应用场景（如高并发连接或低延迟数据包）调整协议栈参数。 低功耗无线通信接口（BLE/LoRaWAN）的驱动层开发： 聚焦于如何编写与无线射频（RF）芯片或集成模块的底层SPI/UART接口驱动，并解析主机控制器接口（HCI）的报文格式。 安全套接层（TLS/SSL）在微控制器上的移植与加速： 探讨如何利用硬件加速单元（如Crypto Engine）来加速TLS握手过程，并管理有限的RAM空间进行会话状态维护。 --- 第二部分：实时操作系统（RTOS）与任务调度 本部分完全围绕实时操作系统的原理、选型和高效应用展开，是构建复杂、可靠系统的核心。 第四章：RTOS内核机制与任务管理 本章深入解构主流RTOS（如FreeRTOS、Zephyr OS等）的内部运作，而非仅仅停留在API调用层面。 上下文切换与内核调度器实现： 详细分析上下文的保存与恢复过程，对比抢占式（Preemptive）和协作式（Cooperative）调度的优缺点。实现一个简化版的基于时间片轮转的调度器原型。 中断服务程序（ISR）与任务同步的艺术： 探讨ISR如何安全地向高优先级任务传递数据（使用消息队列或事件标志），并严格遵循ISR执行时间限制的黄金法则。 临界区管理与优先级反转问题： 深度分析互斥锁（Mutex）和信号量的内部实现，重点讲解如何通过“优先级继承”或“优先级天花板”协议有效规避优先级反转（Priority Inversion）。 第五章：内存管理与资源抽象 在嵌入式系统中，内存是极其宝贵的资源，本章致力于内存管理的优化。 RTOS的动态内存分配策略： 对比不同堆管理算法（如位图法、最佳适应法）在嵌入式环境下的碎片化表现，并设计一个适用于特定应用场景的内存池分配器。 事件驱动模型（Event-Driven Architecture）： 如何使用事件组（Event Groups）或消息队列（Message Queues）来构建一个高度解耦、低延迟的系统架构，减少任务间的硬编码依赖。 软件定时器与延迟处理： 讨论软件定时器的实现原理，以及何时使用软件定时器而非硬件定时器中断来实现定时事件。 --- 第三部分：高级系统集成与测试验证 本部分将理论知识转化为可部署、可维护的工业级应用，关注系统的健壮性与调试能力。 第六章：固件的空中升级（OTA）与版本控制 探讨如何在不依赖物理调试器的情况下，安全、可靠地更新部署在现场的设备固件。 Bootloader的开发与安全机制： 设计一个具备双区（A/B分区）切换机制的Bootloader，实现固件映像的下载、校验（CRC/Hash）和原子性切换。 数据存储与配置的持久化： 利用非易失性存储器（如外部Flash或EEPROM）实现关键参数的保存，并采用事务性写入（Transactional Write）以防止部分更新导致配置损坏。 第七章：嵌入式系统调试与性能分析工具链 掌握专业的调试技巧是确保系统质量的关键。 JTAG/SWD接口的高级调试技巧： 深入使用跟踪缓冲区（Trace Buffer），实现非侵入式的代码执行流记录。掌握硬件断点和观察点（Watchpoint）的高级用法。 实时性能分析（Profiling）： 学习使用RTOS自带的跟踪工具（如Percepio Tracealyzer）或自建时间戳机制，对任务间的延迟、中断响应时间和函数执行耗时进行量化分析。 静态分析与代码质量保证： 引入MISRA C或CERT C规范检查，使用Lint工具自动发现潜在的未定义行为和内存泄漏风险。 第八章：面向特定领域的应用案例集成 本章通过两个复杂的、不涉及特定商业平台的案例，展示前面所学技术的综合运用： 1. 高精度传感器数据融合系统： 结合高速ADC采集、数字信号处理（DSP指令集的应用）、互斥锁保护下的传感器数据结构更新，以及通过异步队列向网络服务发送聚合数据的完整流程。 2. 低功耗周期性数据采集节点： 重点讲解如何通过编程使能深度睡眠模式（Deep Sleep），精确计算唤醒时间，并高效地管理唤醒后的初始化流程，以将平均电流消耗降至最低。 --- 本书面向对象： 具备C语言基础，对单片机基础操作有一定了解，希望深入掌握现代高性能微控制器编程范式、实时操作系统内核以及系统级优化与调试技术的工程师和高级爱好者。本书不提供任何关于Arduino或MicroPython环境下的入门级示例。

作者简介

张元翔

　　学历：
　　美国匹兹堡大学／电机博士

　　经历：
　　中原大学／资讯工程系／副教授
　　中原大学／通讯工程硕士学位学程／副教授
　　美国匹兹堡大学／医学院放射科／助理教授
　　美国匹兹堡大学／医学院放射科／研究助理／后博士
　　美国匹兹堡大学／电机工程系／研究助理
　　联铕实业股份有限公司／研发工程师

Chapter 1 嵌入式系统
Chapter 2 作业系统
Chapter 3 计算机网路
Chapter 4 基础电学
Chapter 5 电路学
Chapter 6 程式设计
Chapter 7 GPIO应用-基础篇
Chapter 8 GPIO应用-数位输出与输入
Chapter 9 GPIO应用-串列周边介面
Chapter 10 GPIO应用-类比输出与输入
Chapter 11 GPIO应用-感测器
Chapter 12 GPIO应用-马达控制
Chapter 13 GPIO应用-家电控制
Chapter 14 多媒体概论
Chapter 15 讯号处理
Chapter 16 影像处理
Chapter 17 视讯处理
Chapter 18 电脑视觉
附录
A-1 嵌入式系统实验设备与材料
A-2 基本单位
A-3 Raspberry Pi GPIO针脚图
A-4 ASCII码
A-5 参考文献

评分☆☆☆☆☆

我是一個對科技充滿好奇心的退休教師，雖然已經離開教學崗位，但求知慾絲毫未減。近年來，看到很多年輕人都在玩樹莓派，它那小小的身軀裡蘊藏著無限可能，深深吸引了我。我一直想找一本能夠系統性地引導我進入這個領域的書，而《Raspberry Pi嵌入式系統入門與應用實作》這個書名，聽起來就非常吸引人。「入門」讓我覺得不會太艱澀，「實作」更是我所追求的，我希望能夠邊學邊做，而不是只停留在理論。我特別希望能從書中學到如何讓樹莓派與各種感測器互動，例如，我想製作一個簡易的自動澆水系統，讓家裡的盆栽在土壤乾旱時能自動獲得水分。這需要用到濕度感測器和繼電器，我希望書中能詳細說明這些元件的接線方式，以及如何透過樹莓派的程式碼來控制它們。另外，我也對樹莓派的網路連線功能很感興趣，希望能夠學會如何讓它連接到Wi-Fi，並且透過網路遠端控制，甚至接收來自網路的指令。我認為，學習新科技不僅能讓我的生活更添樂趣，也能保持頭腦的活力。

评分☆☆☆☆☆

最近迷上了一些DIY的電子專案，像是製作一些簡單的智慧家居小工具，但總覺得現有的控制器有點太貴，而且功能性上也有些限制。聽朋友推薦樹莓派，說它是個CP值超高的開發板，而且用途非常廣泛。但是，對於「嵌入式系統」這個詞，我一向是敬而遠之，總覺得那是工程師的專利。這本《Raspberry Pi嵌入式系統入門與應用實作》的出現，真的讓我看到了曙光！我最想從書中學到的，是如何利用樹莓派來實現一些更進階的專案，例如，我想製作一個能夠辨識特定物品的簡單影像辨識系統，或是利用它的GPIO接口來控制更複雜的電子元件，像是LED矩陣顯示器，用來製作一些酷炫的動畫。我希望書中不僅能提供扎實的理論基礎，更能提供一些實際的專案範例，並且詳細說明製作過程中的注意事項。我對書中的「應用實作」部分非常期待，希望它能帶我跳脫入門的階段，真正能夠將樹莓派應用到我感興趣的專案中，創造出一些獨一無二的作品。

评分☆☆☆☆☆

哇，最近看到這本《Raspberry Pi嵌入式系統入門與應用實作》，整個就超期待的！我一直以來對那種小巧但功能強大的電子設備都很有興趣，而樹莓派絕對是其中的佼佼者。只是礙於自己之前對嵌入式系統的理解都停留在「好像聽過」的階段，加上網路上零散的資訊總讓我有點抓不到重點。這本書的名字聽起來就非常對味，"入門"兩個字讓我這個新手看到了希望，"實作"則讓我躍躍欲試，感覺不只是紙上談兵，而是真的能動手做出東西來。我尤其希望能藉由這本書，了解樹莓派的硬體架構，像是GPIO的運用、各種感測器的連接方式，還有如何在作業系統上進行開發。畢竟，光是知道能玩，但不知道怎麼玩，那也太可惜了！希望這本書能帶我從零開始，一步步建立起對嵌入式系統的基礎概念，並且透過實際的案例，讓我能真正體會到將想法變成現實的樂趣。我平常工作比較忙，但下班後能有個能夠沉浸其中、學習新知的目標，真的是一件很棒的事情。期待它能帶我進入一個全新的電子世界！

评分☆☆☆☆☆

這本《Raspberry Pi嵌入式系統入門與應用實作》的出現，對我來說簡直是及時雨！我身為一個大學生，最近在學校的專題研究中常常需要接觸到一些微控制器和嵌入式系統的應用，但說實話，很多時候都覺得課本上的知識比較理論化，實際操作起來卻霧裡看花。網路上教學雖然多，但良莠不齊，有時候找了半天還找不到適合自己程度的。看到這本書的書名，我眼睛都亮了。「入門」代表著它不會一開始就丟給我一堆看不懂的專業術語，而「實作」則是我最需要的，因為我需要在實驗室裡實際動手做出東西來。我最想從書中學到的，是如何利用樹莓派來實現一些自動化的小專案，例如結合物聯網（IoT）技術，讓家裡的燈光或電器可以遠端控制，或是製作一個簡單的環境監測系統，記錄溫度、濕度等等。我希望能透過這本書，學會如何將各種感測器與樹莓派連接，並撰寫簡單的程式來讀取和處理這些數據。如果書中能提供一些實際的電路圖和程式碼範例，那就太棒了！我期盼這本書能讓我對嵌入式系統的理解更上一層樓，也能為我未來的學習和研究打下堅實的基礎。

评分☆☆☆☆☆

最近手癢，想說來玩玩看那個紅遍全球的樹莓派。畢竟它體積小巧，功能又超乎想像，好像什麼都可以做到一樣。但問題來了，我對於「嵌入式系統」這東西，老實說，就像在聽外星語。雖然有耳聞，但真的要講出個所以然，或是知道怎麼去下手，就腦袋一片空白。這本《Raspberry Pi嵌入式系統入門與應用實作》的名字，聽起來就像是專門為我這種「潛力股」設計的。我非常好奇書中會怎麼把這麼高深的「嵌入式系統」變得簡單易懂。我希望它能深入淺出地介紹樹莓派的硬體特性，像是它上面的各種接口，除了HDMI和USB之外，那些細小的排針到底有什麼用途？還有，如果我想讓樹莓派控制一些小馬達，或是讀取一些物理量，像是光線強弱、距離遠近，書裡會不會提供具體的範例和指導？我比較喜歡那種「照著做，就能成功」的教學方式，如果書中能夠涵蓋一些基礎的電子元件知識，並且教我如何將它們與樹莓派結合，那就真的是太實用了！我期待這本書能帶我打開新世界的大門，讓我在家裡也能創造出一些有趣的電子小玩意。