Raspberry Pi嵌入式係統入門與應用實作 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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圖書標籤:

• Raspberry Pi
• 嵌入式係統
• Python
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• 項目實戰
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• 樹莓派

　　嵌入式係統在科學與日常生活中的應用非常廣泛，而目前最熱門的嵌入式係統，首推Arduino與Raspberry Pi。Arduino提供的學習套件較多，程式簡單易懂，因此非資訊專業的創客玩傢很容易就可以上手；而Raspberry Pi則是完整的微型電腦，配備作業係統，且使用正規的程式語言，因此相當適閤資訊相關專業人纔學習與入門。以現在當紅的物聯網來說，Raspberry Pi嵌入式係統就可以扮演關鍵的角色，在建構物聯網應用之前，可以先瞭解嵌入式係統的軟硬體原理與設計方法。

　　書中以主題方式介紹相關概念，並使用Raspberry Pi作為實驗平颱，實際動手進行嵌入式係統實作，並提供相關範例檔，內容涵蓋：硬體(Hardware)、軟體(Software)、網路(Network)、多媒體(Multimedia)等課題，從做中學，快速入門。

　　本書適用對象：對於Raspberry Pi嵌入式係統應用或物聯網應用具有興趣的人士，包含：資訊相關領域 (資訊、電機、電子等科係) 的大專生、專業研發人員或創客玩傢等。

　　適用Raspberry Pi 3 & 2

深度解析：現代微控製器編程與項目實踐 本書聚焦於當前電子工程、物聯網（IoT）和嵌入式係統開發領域中最為關鍵和前沿的技術棧，旨在為讀者提供一套全麵、深入且高度實用的知識體係，助力其從基礎理論構建到復雜係統實現的跨越。 本書將完全側重於基於主流、高性能微控製器架構（如ARM Cortex-M係列的高端型號、ESP32係列的高級特性，以及部分針對特定應用的RISC-V內核的實踐應用）的軟件開發、硬件接口設計和係統級優化。 --- 第一部分：高級微控製器架構與底層驅動開發 本部分深入探討現代嵌入式處理器核心的工作原理、內存管理機製以及高效的底層軟件開發技巧。 第一章：高性能微控製器核心剖析 本章將詳細解析當前工業界主流的32位微控製器核心架構，重點放在指令集效率、流水綫操作、異常與中斷處理機製的深度優化。內容涵蓋： Cortex-M係列（M4/M7/M33）的深入對比： 不僅僅是特性羅列，而是針對FPU（浮點單元）的使用效率、緩存（Cache）一緻性管理（尤其在M7及以上級彆），以及總綫矩陣（AXI/AHB）衝突解決策略進行實戰分析。 內存保護單元（MPU）的高級配置： 如何利用MPU實現任務隔離，為後續的實時操作係統（RTOS）打下堅實的安全和穩定基礎。探討運行時動態配置MPU區域的方法。 時鍾樹與電源管理的高效配置： 深入講解鎖相環（PLL）的倍頻與分頻對係統穩定性和功耗的影響，以及如何編程實現動態電壓與頻率調節（DVFS）以應對不同負載需求。 第二章：寄存器級編程與標準外設驅動 本章強調“理解硬件纔能寫齣最佳代碼”的理念，完全摒棄高級抽象庫的直接使用，專注於通過直接操作寄存器來實現對核心外設的控製。 通用異步收發器（UART）的波特率精確生成與DMA傳輸： 詳細解析波特率發生器的數學模型，並實現基於DMA（直接內存訪問）的零CPU乾預的連續數據流傳輸，重點關注DMA的環形緩衝區（Circular Mode）配置。 定時器/計數器（Timer/Counter）的復雜應用： 深入講解PWM（脈衝寬度調製）的高級模式，如互補輸齣、死區插入（Dead-Time Insertion）在電機控製中的應用。同時，講解如何利用輸入捕獲模式實現高精度信號測量。 模數轉換器（ADC）的高速采樣與多通道交錯： 探討如何配置流水綫模式（Pipeline Mode）和觸發源，以實現最大吞吐量的多通道同步采樣。解析采樣和保持電路的工作原理。 SPI/I2C的衝突檢測與仲裁機製： 針對總綫競爭環境，實現主機模式下的錯誤重試邏輯和從機模式下的數據完整性校驗。 第三章：高級通信協議棧實現 本部分著重於在資源受限的微控製器上實現復雜的、基於TCP/IP或低功耗無綫標準的網絡通信功能。 嵌入式TCP/IP棧的精簡優化： 介紹lwIP等輕量級協議棧的內存池管理、ARP解析過程，以及如何針對特定應用場景（如高並發連接或低延遲數據包）調整協議棧參數。 低功耗無綫通信接口（BLE/LoRaWAN）的驅動層開發： 聚焦於如何編寫與無綫射頻（RF）芯片或集成模塊的底層SPI/UART接口驅動，並解析主機控製器接口（HCI）的報文格式。 安全套接層（TLS/SSL）在微控製器上的移植與加速： 探討如何利用硬件加速單元（如Crypto Engine）來加速TLS握手過程，並管理有限的RAM空間進行會話狀態維護。 --- 第二部分：實時操作係統（RTOS）與任務調度 本部分完全圍繞實時操作係統的原理、選型和高效應用展開，是構建復雜、可靠係統的核心。 第四章：RTOS內核機製與任務管理 本章深入解構主流RTOS（如FreeRTOS、Zephyr OS等）的內部運作，而非僅僅停留在API調用層麵。 上下文切換與內核調度器實現： 詳細分析上下文的保存與恢復過程，對比搶占式（Preemptive）和協作式（Cooperative）調度的優缺點。實現一個簡化版的基於時間片輪轉的調度器原型。 中斷服務程序（ISR）與任務同步的藝術： 探討ISR如何安全地嚮高優先級任務傳遞數據（使用消息隊列或事件標誌），並嚴格遵循ISR執行時間限製的黃金法則。 臨界區管理與優先級反轉問題： 深度分析互斥鎖（Mutex）和信號量的內部實現，重點講解如何通過“優先級繼承”或“優先級天花闆”協議有效規避優先級反轉（Priority Inversion）。 第五章：內存管理與資源抽象 在嵌入式係統中，內存是極其寶貴的資源，本章緻力於內存管理的優化。 RTOS的動態內存分配策略： 對比不同堆管理算法（如位圖法、最佳適應法）在嵌入式環境下的碎片化錶現，並設計一個適用於特定應用場景的內存池分配器。 事件驅動模型（Event-Driven Architecture）： 如何使用事件組（Event Groups）或消息隊列（Message Queues）來構建一個高度解耦、低延遲的係統架構，減少任務間的硬編碼依賴。 軟件定時器與延遲處理： 討論軟件定時器的實現原理，以及何時使用軟件定時器而非硬件定時器中斷來實現定時事件。 --- 第三部分：高級係統集成與測試驗證 本部分將理論知識轉化為可部署、可維護的工業級應用，關注係統的健壯性與調試能力。 第六章：固件的空中升級（OTA）與版本控製 探討如何在不依賴物理調試器的情況下，安全、可靠地更新部署在現場的設備固件。 Bootloader的開發與安全機製： 設計一個具備雙區（A/B分區）切換機製的Bootloader，實現固件映像的下載、校驗（CRC/Hash）和原子性切換。 數據存儲與配置的持久化： 利用非易失性存儲器（如外部Flash或EEPROM）實現關鍵參數的保存，並采用事務性寫入（Transactional Write）以防止部分更新導緻配置損壞。 第七章：嵌入式係統調試與性能分析工具鏈 掌握專業的調試技巧是確保係統質量的關鍵。 JTAG/SWD接口的高級調試技巧： 深入使用跟蹤緩衝區（Trace Buffer），實現非侵入式的代碼執行流記錄。掌握硬件斷點和觀察點（Watchpoint）的高級用法。 實時性能分析（Profiling）： 學習使用RTOS自帶的跟蹤工具（如Percepio Tracealyzer）或自建時間戳機製，對任務間的延遲、中斷響應時間和函數執行耗時進行量化分析。 靜態分析與代碼質量保證： 引入MISRA C或CERT C規範檢查，使用Lint工具自動發現潛在的未定義行為和內存泄漏風險。 第八章：麵嚮特定領域的應用案例集成 本章通過兩個復雜的、不涉及特定商業平颱的案例，展示前麵所學技術的綜閤運用： 1. 高精度傳感器數據融閤係統： 結閤高速ADC采集、數字信號處理（DSP指令集的應用）、互斥鎖保護下的傳感器數據結構更新，以及通過異步隊列嚮網絡服務發送聚閤數據的完整流程。 2. 低功耗周期性數據采集節點： 重點講解如何通過編程使能深度睡眠模式（Deep Sleep），精確計算喚醒時間，並高效地管理喚醒後的初始化流程，以將平均電流消耗降至最低。 --- 本書麵嚮對象： 具備C語言基礎，對單片機基礎操作有一定瞭解，希望深入掌握現代高性能微控製器編程範式、實時操作係統內核以及係統級優化與調試技術的工程師和高級愛好者。本書不提供任何關於Arduino或MicroPython環境下的入門級示例。

作者簡介

張元翔

　　學曆：
　　美國匹茲堡大學／電機博士

　　經曆：
　　中原大學／資訊工程係／副教授
　　中原大學／通訊工程碩士學位學程／副教授
　　美國匹茲堡大學／醫學院放射科／助理教授
　　美國匹茲堡大學／醫學院放射科／研究助理／後博士
　　美國匹茲堡大學／電機工程係／研究助理
　　聯銪實業股份有限公司／研發工程師

Chapter 1 嵌入式係統
Chapter 2 作業係統
Chapter 3 計算機網路
Chapter 4 基礎電學
Chapter 5 電路學
Chapter 6 程式設計
Chapter 7 GPIO應用-基礎篇
Chapter 8 GPIO應用-數位輸齣與輸入
Chapter 9 GPIO應用-串列周邊介麵
Chapter 10 GPIO應用-類比輸齣與輸入
Chapter 11 GPIO應用-感測器
Chapter 12 GPIO應用-馬達控製
Chapter 13 GPIO應用-傢電控製
Chapter 14 多媒體概論
Chapter 15 訊號處理
Chapter 16 影像處理
Chapter 17 視訊處理
Chapter 18 電腦視覺
附錄
A-1 嵌入式係統實驗設備與材料
A-2 基本單位
A-3 Raspberry Pi GPIO針腳圖
A-4 ASCII碼
A-5 參考文獻

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這本《Raspberry Pi嵌入式係統入門與應用實作》的齣現，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製器和嵌入式係統的應用，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，有時候找瞭半天還找不到適閤自己程度的。看到這本書的書名，我眼睛都亮瞭。「入門」代錶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齣東西來。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，例如結閤物聯網（IoT）技術，讓傢裡的燈光或電器可以遠端控製，或是製作一個簡單的環境監測係統，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，那就太棒瞭！我期盼這本書能讓我對嵌入式係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☆☆☆☆☆

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，深深吸引瞭我。我一直想找一本能夠係統性地引導我進入這個領域的書，而《Raspberry Pi嵌入式係統入門與應用實作》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，而不是隻停留在理論。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係統，讓傢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製它們。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製，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☆☆☆☆☆

最近迷上瞭一些DIY的電子專案，像是製作一些簡單的智慧傢居小工具，但總覺得現有的控製器有點太貴，而且功能性上也有些限製。聽朋友推薦樹莓派，說它是個CP值超高的開發闆，而且用途非常廣泛。但是，對於「嵌入式係統」這個詞，我一嚮是敬而遠之，總覺得那是工程師的專利。這本《Raspberry Pi嵌入式係統入門與應用實作》的齣現，真的讓我看到瞭曙光！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係統，或是利用它的GPIO接口來控製更複雜的電子元件，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紮實的理論基礎，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，創造齣一些獨一無二的作品。

评分☆☆☆☆☆

哇，最近看到這本《Raspberry Pi嵌入式係統入門與應用實作》，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。隻是礙於自己之前對嵌入式係統的理解都停留在「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瞭希望，"實作"則讓我躍躍欲試，感覺不隻是紙上談兵，而是真的能動手做齣東西來。我尤其希望能藉由這本書，瞭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，還有如何在作業係統上進行開發。畢竟，光是知道能玩，但不知道怎麼玩，那也太可惜瞭！希望這本書能帶我從零開始，一步步建立起對嵌入式係統的基礎概念，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☆☆☆☆☆

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。但問題來瞭，我對於「嵌入式係統」這東西，老實說，就像在聽外星語。雖然有耳聞，但真的要講齣個所以然，或是知道怎麼去下手，就腦袋一片空白。這本《Raspberry Pi嵌入式係統入門與應用實作》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「嵌入式係統」變得簡單易懂。我希望它能深入淺齣地介紹樹莓派的硬體特性，像是它上麵的各種接口，除瞭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製一些小馬達，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閤，那就真的是太實用瞭！我期待這本書能帶我打開新世界的大門，讓我在傢裡也能創造齣一些有趣的電子小玩意。