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本書采用項(xiàng)目化教學(xué)方式，以項(xiàng)目、任務(wù)、活動(dòng)理實(shí)一體教學(xué)模式呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容。按照循序漸進(jìn)、搭積木的設(shè)計(jì)思想，共設(shè)計(jì)了10個(gè)項(xiàng)目：初識(shí)嵌入式系統(tǒng)、閃燈的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、利用UART實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的通信、利用定時(shí)中斷實(shí)現(xiàn)頻閃燈和電子時(shí)鐘、利用PWM實(shí)現(xiàn)小燈亮度控制、利用輸入捕捉測(cè)量脈沖信號(hào)的周期和脈寬、利用ADC設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表、SPI串行通信的實(shí)現(xiàn)、I2C串行通信的實(shí)現(xiàn)、利用TSC實(shí)現(xiàn)觸摸感應(yīng)功能。其中，第1個(gè)項(xiàng)目旨在幫助讀者初步認(rèn)識(shí)嵌入式系統(tǒng)；其余項(xiàng)目均基于構(gòu)件化設(shè)計(jì)，且均采用通用知識(shí)底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件的使用應(yīng)用層程序設(shè)計(jì)拓展任務(wù)的學(xué)習(xí)流程。后可根據(jù)教學(xué)需要，選擇部分項(xiàng)目或全部項(xiàng)目進(jìn)行綜合應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)和課程考核。
為了方便教學(xué)和讀者自學(xué)，本書配有在線教學(xué)資源，包括芯片資料、使用文檔、硬件說明、源程序等。

1）把握通用知識(shí)與芯片相關(guān)知識(shí)之間的平衡。書中對(duì)于嵌入式通用知識(shí)的基本原理，以應(yīng)用為立足點(diǎn)，進(jìn)行語(yǔ)言簡(jiǎn)潔、邏輯清晰的闡述，同時(shí)注意與芯片相關(guān)知識(shí)之間的銜接，使讀者在理解基本原理的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)芯片應(yīng)用的設(shè)計(jì)，同時(shí)反過來加深對(duì)通用知識(shí)的理解。
2）把握硬件與軟件的關(guān)系。嵌入式系統(tǒng)是軟件與硬件的綜合體，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)軟件與硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的工程，不能像通用計(jì)算機(jī)那樣，把軟件、硬件完全分開來看。特別是對(duì)電子系統(tǒng)智能化嵌入式應(yīng)用來說，沒有對(duì)硬件的理解就不可能設(shè)計(jì)好嵌入式軟件，同樣，沒有對(duì)軟件的理解也不可能設(shè)計(jì)好嵌入式硬件。因此，本書注重把握硬件知識(shí)與軟件知識(shí)之間的關(guān)系。
3）對(duì)底層驅(qū)動(dòng)進(jìn)行構(gòu)件化封裝。書中對(duì)每個(gè)模塊均給出根據(jù)嵌入式軟件工程基本原則及構(gòu)件化封裝要求編制的底層驅(qū)動(dòng)程序，同時(shí)給出詳細(xì)、規(guī)范的注釋及對(duì)外接口，為實(shí)際應(yīng)用提供底層構(gòu)件，方便移植與復(fù)用，從而為讀者進(jìn)行實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)節(jié)省大量時(shí)間。
4）設(shè)計(jì)合理的測(cè)試用例。書中所有源程序均經(jīng)測(cè)試通過，并在本書的在線教學(xué)資源中提供測(cè)試用例，避免了因例程的書寫或固有錯(cuò)誤給讀者帶來煩惱。這些測(cè)試用例也為讀者驗(yàn)證與理解帶來方便。
5）在線教學(xué)資源提供了所有模塊完整的底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件化封裝程序與測(cè)試用例、芯片資料、使用文檔、硬件說明等，還制作了課件，在線教學(xué)資源的版本將會(huì)適時(shí)更新。

單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)是電子信息類、自動(dòng)化類等專業(yè)的核心課程，該課程面向嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)師工作崗位，目的是為社會(huì)培養(yǎng)嵌入式智能產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析、調(diào)試與創(chuàng)新能力的高素質(zhì)技術(shù)技能型人才。
嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)稱為嵌入式系統(tǒng)，其概念初源于傳統(tǒng)測(cè)控系統(tǒng)對(duì)計(jì)算機(jī)的需求。隨著以微處理器（MPU）為內(nèi)核的微控制器（MCU）制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，計(jì)算機(jī)領(lǐng)域在通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)這兩大分支分別得以發(fā)展。通用計(jì)算機(jī)已經(jīng)在科學(xué)計(jì)算、通信、日常生活等領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響。在后PC時(shí)代，嵌入式系統(tǒng)的廣闊應(yīng)用是計(jì)算機(jī)發(fā)展的重要特征。一般來說，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用范圍可以粗略分為兩大類：一類是電子系統(tǒng)的智能化（如工業(yè)控制、汽車電子、數(shù)據(jù)采集、測(cè)控系統(tǒng)、家用電器、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、嵌入式人工智能及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等），這類應(yīng)用也被稱為微控制器（MCU）領(lǐng)域。另一類是計(jì)算機(jī)應(yīng)用的延伸（如平板計(jì)算機(jī)、手機(jī)、電子圖書等），這類應(yīng)用也被稱為應(yīng)用處理器（MAP）領(lǐng)域。在ARM系列產(chǎn)品中，ARM Cortex-M系列與ARM Cortex-R系列適用于電子系統(tǒng)的智能化類應(yīng)用，即微控制器領(lǐng)域；ARM Cortex-A系列適用于計(jì)算機(jī)應(yīng)用的延伸，即應(yīng)用處理器領(lǐng)域。不論如何分類，嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)是不變的，即要完成一個(gè)嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，需要掌握硬件、軟件及行業(yè)領(lǐng)域相關(guān)知識(shí)。但是，隨著嵌入式系統(tǒng)中軟件規(guī)模的日益增大，對(duì)嵌入式底層驅(qū)動(dòng)軟件的封裝也提出了更高的要求，可復(fù)用性與可移植性受到特別的關(guān)注，嵌入式軟硬件構(gòu)件化開發(fā)方法逐步被業(yè)界所重視。
為了實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可移植性和可復(fù)用性，嵌入式硬件和嵌入式軟件均采用構(gòu)件化的設(shè)計(jì)思想，即對(duì)嵌入式硬件和嵌入式軟件進(jìn)行封裝，供系統(tǒng)設(shè)計(jì)者調(diào)用，并倡導(dǎo)嵌入式軟件分層設(shè)計(jì)的理念，以降低嵌入式技術(shù)的教學(xué)難度和開發(fā)難度，為因材施教提供有效可行的途徑，有效突出學(xué)生的學(xué)習(xí)主體地位，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使學(xué)生具有一定的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。
本書在編寫過程中，堅(jiān)持以學(xué)習(xí)者為中心的教學(xué)理念，按照以學(xué)生為中心、學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向、促進(jìn)自主學(xué)習(xí)的思路進(jìn)行教材開發(fā)設(shè)計(jì)，充分體現(xiàn)做中學(xué)、學(xué)中做教、學(xué)、做一體化等教育教學(xué)特色，使學(xué)校教學(xué)過程與企業(yè)的生產(chǎn)過程相對(duì)接。以實(shí)際、實(shí)用、必需、夠用為原則，本書采用項(xiàng)目化教學(xué)方式，以項(xiàng)目、任務(wù)、活動(dòng)理實(shí)一體教學(xué)模式呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容。
本書使用意法半導(dǎo)體公司的ARM Cortex-M4內(nèi)核的STM32L431微控制器為藍(lán)本，闡述嵌入式硬件構(gòu)件和嵌入式軟件構(gòu)件的設(shè)計(jì)方法和使用方法。需要特別說明的是，本書以知識(shí)要素為基本立足點(diǎn)設(shè)計(jì)芯片底層驅(qū)動(dòng)，使得應(yīng)用程序與芯片無關(guān)，具有通用嵌入式計(jì)算機(jī)（GEC）性質(zhì)。按照循序漸進(jìn)、搭積木的設(shè)計(jì)思想，共設(shè)計(jì)了10個(gè)項(xiàng)目。后可根據(jù)教學(xué)需要，選擇部分項(xiàng)目或全部項(xiàng)目進(jìn)行綜合應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)和課程考核。
本書具有以下特點(diǎn)。
1）把握通用知識(shí)與芯片相關(guān)知識(shí)之間的平衡。書中對(duì)于嵌入式通用知識(shí)的基本原理，以應(yīng)用為立足點(diǎn)，進(jìn)行語(yǔ)言簡(jiǎn)潔、邏輯清晰的闡述，同時(shí)注意與芯片相關(guān)知識(shí)之間的銜接，使讀者在理解基本原理的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)芯片應(yīng)用的設(shè)計(jì)，同時(shí)反過來加深對(duì)通用知識(shí)的理解。
2）把握硬件與軟件的關(guān)系。嵌入式系統(tǒng)是軟件與硬件的綜合體，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)軟件與硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的工程，不能像通用計(jì)算機(jī)那樣，把軟件、硬件完全分開來看。特別是對(duì)電子系統(tǒng)智能化嵌入式應(yīng)用來說，沒有對(duì)硬件的理解就不可能設(shè)計(jì)好嵌入式軟件，同樣，沒有對(duì)軟件的理解也不可能設(shè)計(jì)好嵌入式硬件。因此，本書注重把握硬件知識(shí)與軟件知識(shí)之間的關(guān)系。
3）對(duì)底層驅(qū)動(dòng)進(jìn)行構(gòu)件化封裝。書中對(duì)每個(gè)模塊均給出根據(jù)嵌入式軟件工程基本原則及構(gòu)件化封裝要求編制的底層驅(qū)動(dòng)程序，同時(shí)給出詳細(xì)、規(guī)范的注釋及對(duì)外接口，為實(shí)際應(yīng)用提供底層構(gòu)件，方便移植與復(fù)用，從而為讀者進(jìn)行實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)節(jié)省大量時(shí)間。
4）設(shè)計(jì)合理的測(cè)試用例。書中所有源程序均經(jīng)測(cè)試通過，并在本書的在線教學(xué)資源中提供測(cè)試用例，避免了因例程的書寫或固有錯(cuò)誤給讀者帶來煩惱。這些測(cè)試用例也為讀者驗(yàn)證與理解帶來方便。
5）在線教學(xué)資源提供了所有模塊完整的底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件化封裝程序與測(cè)試用例、芯片資料、使用文檔、硬件說明等，還制作了課件，在線教學(xué)資源的版本將會(huì)適時(shí)更新。
本書由王宜懷、索明何和王玉麗編著。王宜懷負(fù)責(zé)全書的策劃、內(nèi)容安排、案例選取和統(tǒng)稿工作。
本書在編寫過程中，得到了意法半導(dǎo)體（ST）大學(xué)計(jì)劃的丁曉磊、ARM中國(guó)教育生態(tài)部的王夢(mèng)馨、南京沁恒微電子的楊勇及劉帥的熱心幫助和指導(dǎo)，在此一并表示衷心的感謝。
由于編者水平有限，疏漏之處在所難免，懇請(qǐng)廣大專家和讀者提出寶貴的修正意見和建議。

前言
硬件資源及在線教學(xué)資源
二維碼資源清單
項(xiàng)目1 初識(shí)嵌入式系統(tǒng)1
任務(wù)1.1 運(yùn)行硬件系統(tǒng)1
1.1.1 實(shí)踐體系簡(jiǎn)介1
1.1.2 編譯、下載與運(yùn)行個(gè)嵌入式程序4
任務(wù)1.2 熟悉嵌入式系統(tǒng)的定義、發(fā)展簡(jiǎn)史、分類及特點(diǎn)5
1.2.1 嵌入式系統(tǒng)的定義5
1.2.2 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展簡(jiǎn)史7
1.2.3 嵌入式系統(tǒng)的分類10
1.2.4 嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)11
任務(wù)1.3 熟悉嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)方法12
1.3.1 嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)困惑12
1.3.2 嵌入式系統(tǒng)的知識(shí)體系16
1.3.3 基礎(chǔ)階段的學(xué)習(xí)建議17
任務(wù)1.4 掌握以MCU為核心的嵌入式系統(tǒng)組成19
1.4.1 MCU簡(jiǎn)介19
1.4.2 以MCU為核心的嵌入式測(cè)控產(chǎn)品的基本組成20
【拓展任務(wù)】22
項(xiàng)目2 閃燈的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)23
任務(wù)2.1 STM32L431硬件小系統(tǒng)設(shè)計(jì)23
2.1.1 STM32系列MCU簡(jiǎn)介23
2.1.2 ARM Cortex-M4微處理器簡(jiǎn)介24
2.1.3 STM32L431存儲(chǔ)映像、引腳功能與硬件小系統(tǒng)設(shè)計(jì)27
任務(wù)2.2 由MCU構(gòu)建通用嵌入式計(jì)算機(jī)34
2.2.1 嵌入式終端開發(fā)方式存在的問題與解決辦法34
2.2.2 提出GEC概念的時(shí)機(jī)、GEC定義與特點(diǎn)35
2.2.3 由STM32L431構(gòu)成的GEC37
任務(wù)2.3 GPIO底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件文件的使用41
2.3.1 GPIO的通用知識(shí)41
2.3.2 STM32L431的GPIO底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件文件及使用方法43
任務(wù)2.4 嵌入式構(gòu)件化設(shè)計(jì)及閃燈的實(shí)現(xiàn)48
2.4.1 小燈硬件構(gòu)件的設(shè)計(jì)及使用方法48
2.4.2 嵌入式軟件小系統(tǒng)49
2.4.3 閃燈的應(yīng)用層程序設(shè)計(jì)及效果測(cè)試51
【拓展任務(wù)】54
項(xiàng)目3 利用UART實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的通信55
任務(wù)3.1 熟知UART的通用知識(shí)55
3.1.1 串行通信的基本概念55
3.1.2 TTL-USB串口58
3.1.3 串行通信編程模型59
任務(wù)3.2 熟知中斷的通用知識(shí)60
3.2.1 中斷的基本概念60
3.2.2 中斷的基本過程65
3.2.3 ARM Cortex-M4的非內(nèi)核模塊中斷編程結(jié)構(gòu)66
任務(wù)3.3 UART底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件的使用67
3.3.1 STM32L431的UART模塊67
3.3.2 UART底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件文件的組成及使用方法68
任務(wù)3.4 PC與MCU的串口通信與調(diào)試71
3.4.1 UART通信的應(yīng)用層程序設(shè)計(jì)71
3.4.2 使用printf函數(shù)輸出數(shù)據(jù)74
【拓展任務(wù)】75
項(xiàng)目4 利用定時(shí)中斷實(shí)現(xiàn)頻閃燈和電子時(shí)鐘76
任務(wù)4.1 利用Timer中斷實(shí)現(xiàn)頻閃燈和電子時(shí)鐘76
4.1.1 Timer基本定時(shí)底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件文件的組成及使用方法77
4.1.2 利用Timer中斷實(shí)現(xiàn)頻閃燈和電子時(shí)鐘的應(yīng)用層程序設(shè)計(jì)79
任務(wù)4.2 利用內(nèi)核定時(shí)器中斷實(shí)現(xiàn)頻閃燈和電子時(shí)鐘83
4.2.1 SysTick定時(shí)器底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件文件組成及使用方法83
4.2.2 利用SysTick中斷實(shí)現(xiàn)頻閃燈和電子時(shí)鐘的應(yīng)用層程序設(shè)計(jì)84
【拓展任務(wù)】86
項(xiàng)目5 利用PWM實(shí)現(xiàn)小燈亮度控制87
任務(wù)5.1 熟知PWM的通用知識(shí)87
5.1.1 PWM的基本概念與技術(shù)指標(biāo)87
5.1.2 PWM的應(yīng)用場(chǎng)合90
任務(wù)5.2 Timer_PWM底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件的使用91
5.2.1 STM32L431的PWM引腳91
5.2.2 PWM底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件頭文件及使用方法92
任務(wù)5.3 PWM應(yīng)用層程序設(shè)計(jì)與測(cè)試93
5.3.1 PWM應(yīng)用層程序設(shè)計(jì)93
5.3.2 PWM應(yīng)用層程序測(cè)試95
【拓展任務(wù)】95
項(xiàng)目6 利用輸入捕捉測(cè)量脈沖信號(hào)的周期和脈寬96
任務(wù)6.1 熟知輸出比較和輸入捕捉的通用知識(shí)96
6.1.1 輸出比較的基本含義、原理和應(yīng)用場(chǎng)合96
6.1.2 輸入捕捉的基本含義、原理和應(yīng)用場(chǎng)合96
任務(wù)6.2 輸出比較和輸入捕捉底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件的使用97
6.2.1 STM32L431的輸出比較和輸入捕捉引腳97
6.2.2 輸出比較底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件頭文件及使用方法98
6.2.3 輸入捕捉底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件頭文件及使用方法100
任務(wù)6.3 輸出比較和輸入捕捉功能的應(yīng)用層程序設(shè)計(jì)與測(cè)試102
6.3.1 輸出比較和輸入捕捉應(yīng)用層程序設(shè)計(jì)102
6.3.2 輸出比較和輸入捕捉應(yīng)用層程序
測(cè)試105
【拓展任務(wù)】105
項(xiàng)目7 利用ADC設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表106

任務(wù)7.1 熟知ADC的通用知識(shí)106
7.1.1 模擬量、數(shù)字量及模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的基本含義106
7.1.2 與A/D轉(zhuǎn)換編程相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)107
任務(wù)7.2 ADC底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件的使用111
7.2.1 STM32L431芯片的ADC引腳111
7.2.2 ADC底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件頭文件及使用方法112
任務(wù)7.3 簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)114
7.3.1 簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表的硬件電路組成和工作原理114
7.3.2 ADC應(yīng)用層程序設(shè)計(jì)與測(cè)試115
【拓展任務(wù)】118
項(xiàng)目8 SPI串行通信的實(shí)現(xiàn)119
任務(wù)8.1 熟知SPI的通用知識(shí)119
8.1.1 SPI的基本概念119
8.1.2 SPI的數(shù)據(jù)傳輸原理和時(shí)序120
任務(wù)8.2 SPI底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件的使用122
8.2.1 STM32L431的SPI引腳122
8.2.2 SPI底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件頭文件及使用方法123
任務(wù)8.3 SPI串行通信的應(yīng)用層程序設(shè)計(jì)與測(cè)試126
8.3.1 SPI串行通信的應(yīng)用層程序設(shè)計(jì)126
8.3.2 SPI串行通信的應(yīng)用層程序測(cè)試128
【拓展任務(wù)】129
項(xiàng)目9 I2C串行通信的實(shí)現(xiàn)130
任務(wù)9.1 熟知I2C的通用知識(shí)130
9.1.1 I2C總線的歷史概況與特點(diǎn)130
9.1.2 I2C總線硬件相關(guān)術(shù)語(yǔ)與典型硬件電路131
9.1.3 I2C總線數(shù)據(jù)通信協(xié)議132
任務(wù)9.2 I2C底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件的使用136
9.2.1 STM32L431的I2C引腳136
9.2.2 I2C底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件頭文件及使用方法137
任務(wù)9.3 I2C串行通信的應(yīng)用層程序設(shè)計(jì)與測(cè)試140
9.3.1 I2C

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