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| 編輯推薦： |
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本教材以计算机的组成和工作原理为知识主线，以智能硬件设计知识为能力主线组织学习内容，将“计算机原理”“单片机技术”“嵌入式系统设计”等多门课程整合为一门课程。本教材以单片机为模型机讲述计算机工作原理，将计算机原理的核心知识深度融入嵌入式微处理器的知识体系，通过汇编语言和C语言的对比学习和运用构建嵌入式软件编程能力，通过电子测量等项目实例对接工程应用，促使电子测量方法与传感技术等外延应用紧密结合，并加入了开源硬件内容，引导自学、课题组织和实践，形成抛砖引玉、学以致用的效果。本教材的内容整合不是简单的拼凑和压缩，而是抓住计算机原理与智能硬件应用的共性问题，去冗余、舍陈旧、铸主线，更加明晰原理和强化应用，摒弃分布在多个学期开设相关课程的现状，在原“计算机原理”课程开设学期直接实现多门核心课程的学习，在促使课程目标有效达成的同时大幅节约了学习时间，也为学生进行科技创新奠定了技术基础和预留了足够的时间。
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| 內容簡介： |
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智能硬件作为单片机与嵌入式系统发展的新阶段，作为智能仪器、智能传感器、物联网终端等的新概称，其知识体系和课程建设是“智能 ”新工科建设的核心任务之一。本教材以计算机的组成和工作原理为知识主线，以智能硬件设计知识为能力主线组织学习内容。本教材以单片机为模型机，将计算机原理的核心知识深度融入嵌入式微处理器的知识体系，通过汇编语言和C语言的对比学习和运用构建嵌入式软件编程能力，通过电子测量等项目实例对接工程应用，并加入了开源硬件内容。本教材通过将计算机原理、接口技术和嵌入式软硬件技术的相互融汇来构建智能硬件设计的知识结构和能力结构，突出工程教育和OBE理念，培养面向解决复杂工程问题的智能硬件工程师。
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| 關於作者： |
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刘海成，男，副教授。现任黑龙江工程学院电气与信息工程学院副院长，大学生电子创新实践基地主任，兼任东北地区高校EDA/SOPC研究会理事，全国大学生电子设计大赛黑龙江赛区专家组成员。主要从事数字信号处理，数字电子与EDA技术、计算机与智能硬件等领域的教学与研究。主持产学合作协同育人项目两项，主持省级教改项目两项，新工科建设项目一项，主持厅局和参与厅局级和横向项目多项，获校级教学成果一等奖4项。获得授权发明专利1项。
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| 目錄：
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第1章 计算机与智能硬件 1
1.1 从有限状态机到数字计算机 1
1.2 计算机的组成及工作模型 3
1.2.1 计算机的存储器、系统总线及字长 3
1.2.2 CPU与程序的执行 4
1.2.3 函数调用与栈 7
1.3 计算机的体系结构 9
1.3.1 通用计算机与嵌入式系统 9
1.3.2 计算机的指令集体系结构 10
1.3.3 计算机的系统级存储器访问体系结构 11
1.4 嵌入式微处理器与智能硬件 12
1.4.1 嵌入式系统与智能硬件 12
1.4.2 嵌入式微处理器 13
1.5 51系列单片机 15
1.5.1 经典型51单片机 15
1.5.2 经典型51单片机的最小系统 19
1.6 51系列单片机的存储器结构 20
1.6.1 51系列单片机的存储器构成 20
1.6.2 51系列单片机的外设寄存器 23
习题与思考题 26
第2章 指令系统与汇编程序设计 28
2.1 汇编指令及伪指令 28
2.1.1 指令与汇编语言 28
2.1.2 指令系统与指令格式 28
2.1.3 伪指令 29
2.2 寻址方式 32
2.2.1 寻址方式及三种面向 32
2.2.2 数的寻址 33
2.2.3 指令寻址 35
2.3 数据传送指令 36
2.3.1 普通传送指令 36
2.3.2 数据交换指令 39
2.3.3 栈操作指令 40
2.3.4 位传送指令 40
2.4 算术运算指令 41
2.4.1 加法指令 41
2.4.2 减法指令 43
2.4.3 乘法和除法指令 44
2.5 逻辑运算指令 45
2.5.1 逻辑与、逻辑或和逻辑异或指令 45
2.5.2 累加器的逻辑运算指令 46
2.5.3 位逻辑操作指令 48
2.6 控制转移指令与汇编软件设计 48
2.6.1 无条件转移指令 49
2.6.2 子程序调用及返回指令 50
2.6.3 条件转移指令及应用 54
2.6.4 空操作指令与软件延时 62
习题与思考题 63
第3章 嵌入式C程序设计与开发调试 66
3.1 51系列单片机的C编译器 66
3.2 C51/Cx51的数据类型及定义 68
3.2.1 C51/Cx51的数据类型 68
3.2.2 C51/Cx51的存储类型 71
3.2.3 C51/Cx51的存储模式 72
3.3 C51/Cx51中绝对地址的访问 73
3.4 Keil μVision嵌入式集成开发环境 75
3.5 嵌入式开发工具与调试 81
3.5.1 嵌入式系统的开发工具 81
3.5.2 嵌入式系统的调试 83
习题与思考题 84
第4章 中断与中断系统 85
4.1 异步事件的查询工作方式和中断工作方式 85
4.1.1 异步事件的查询工作方式 85
4.1.2 异步事件的中断工作方式 85
4.2 计算机的中断系统及中断响应过程 86
4.2.1 中断系统 87
4.2.2 中断响应过程 88
4.3 51系列单片机的中断系统及软件设计方法 90
4.3.1 经典型51单片机的中断源和中断系统 90
4.3.2 51系列单片机中断程序的编制 92
4.4 外中断 94
4.4.1 外中断及其中断请求触发方式 94
4.4.2 经典型51单片机的外中断及软件设计 94
4.4.3 多外部中断源查询中断系统设计 95
4.5 外设及存储器的DMA工作方式 97
习题与思考题 100
第5章 GPIO及人机接口技术初步 101
5.1 微处理器的GPIO 101
5.1.1 GPIO的基本结构 101
5.1.2 GPIO的输出驱动电路 103
5.2 经典型51单片机的GPIO 107
5.3 LED数码管显示器接口技术 111
5.3.1 LED数码管显示器及译码方式 111
5.3.2 LED数码管的显示驱动方式 114
5.4 机械键盘接口技术 117
5.4.1 键盘的工作原理 117
5.4.2 矩阵式键盘及驱动接口 120
5.4.3 键盘的工作方式 124
习题与思考题 128
第6章 系统总线与系统扩展技术 129
6.1 系统总线及时序 129
6.1.1 微处理器的系统总线 129
6.1.2 经典型51单片机的系统总线 130
6.1.3 经典型51单片机的系统总线时序 131
6.2 系统级存储器的综合扩展 134
6.2.1 系统总线的共享原则 134
6.2.2 相同控制信号系统级器件的综合扩展 135
6.2.3 同时扩展程序存储器与数据存储器 138
6.3 基于系统总线扩展系统级外设 140
6.3.1 基于系统总线扩展系统级GPIO 140
6.3.2 基于系统总线扩展系统级外设举例：扩展A/D转换器（ADC0809） 143
6.4 1602字符液晶及其6800时序接口技术 145
6.4.1 6800系统总线及时序模拟 146
6.4.2 1602字符液晶及软件驱动设计 149
习题与思考题 154
第7章 嵌入式微处理器的定时/计数器及应用 156
7.1 嵌入式微处理器的定时/计数器外设 156
7.2 Timer0和Timer1 157
7.2.1 Timer0、Timer1的结构及相关SFR 157
7.2.2 Timer0和Timer1的16位计数方式 159
7.3 定时/计数器的自动重载工作方式 162
7.3.1 Timer0和Timer1的8位自动重载工作方式 162
7.3.2 Timer2及16位自动重载工作方式 164
7.3.3 利用自动重载计数器扩展外中断的原理和方法 167
7.4 基于定时器的周期信号发生技术 168
7.4.1 基于定时器产生PWM波的原理 168
7.4.2 基于DDS原理和DAC产生波形 170
7.5 时间间隔、时刻差测量与Timer2的捕获工作方式 174
7.5.1 GATE位与脉宽测量 174
7.5.2 脉宽测量项目——双积分型A/D转换器（ICL7135）接口技术 175
7.5.3 Timer2的捕获工作方式与时刻差测量 179
7.5.4 时刻差测量的典型应用项目及分析 181
7.6 矩形波的频率测量 183
7.6.1 频率的直接测量方法——定时计数方法 184
7.6.2 频率的间接测量方法——测量周期法 186
7.6.3 优化测量法 186
7.6.4 频率测量的典型应用项目及分析 190
习题与思考题 191
第8章 UART与智能硬件通信技术 192
8.1 串行通信与UART 192
8.1.1 数据通信与串行通信 192
8.1.2 串行通信的位同步与UART 193
8.2 RS-232和RS-485串行通信接口 195
8.2.1 RS???232接口 195
8.2.2 RS???485接口 198
8.3 51系列单片机的UART及软件设计 200
8.3.1 51系列单片机串行口的UART 200
8.3.2 UART的波特率设置及初始化 202
8.3.3 UART点对点通信实例 204
8.4 单主多从的现场总线多机通信系统 211
8.4.1 UART的单主多从多机通信模式及多机通信原理 212
8.4.2 单主多从现场总线与校验技术 216
习题与思考题 223
第9章 智能硬件的串行扩展技术 224
9.1 SPI总线扩展接口及时序 224
9.1.1 SPI总线及其应用系统结构 224
9.1.2 SPI总线的接口时序 225
9.1.3 经典型51单片机串口的方式0——8位LSB半双工SPI主机 226
9.1.4 SPI与DSPI、QSPI扩展接口 232
9.2 软件模拟SPI主机时序实例 233
9.2.1 串入并出扩展输出口 233
9.2.2 扩展A/D转换器——TLC2543 234
9.3 I2C串行总线扩展技术 237
9.3.1 I2C总线拓扑及引脚结构 237
9.3.2 I2C总线的数据传送 239
9.3.3 I2C主机的软件模拟 242
9.3.4 I2C总线接口E2PROM 248
9.4 单色图形点阵液晶和OLED屏 249
9.5 DS18B20温度传感器与单总线扩展技术 253
9.5.1 DS18B20及操作命令 253
9.5.2 DS18B20的单总线组网与识别 256
9.5.3 DS18B20的单总线读写时序 258
9.5.4 单片DS18B20测温应用程序设计 259
习题与思考题 262
第10章 Arduino与开源硬件 263
10.1 Arduino硬件开发板 263
10.1.1 AVR系列单片机与Arduino 263
10.1.2 ARM Cortex-M内核微处理器与Arduino 266
10.2 Arduino IDE及框架化编程 267
10.2.1 Arduino IDE 268
10.2.2 Arduino的软件框架及通用API 269
10.3 ESP8266串口WiFi模块 274
10.3.1 ESP8266EX芯片及ESP8266模块 274
10.3.2 ESP8266的开发模式 276
习题与思考题 279
第11章 模拟信号链与智能硬件设计 280
11.1 智能硬件的组成及开发过程 280
11.1.1 硬件系统的组成 280
11.1.2 智能硬件的开发过程 281
11.2 智能硬件的抗干扰技术 282
11.2.1 硬件抗干扰 283
11.2.2 软件抗干扰及看门狗技术 284
11.3 智能硬件的低功耗设计 285
11.3.1 硬件低功耗设计 286
11.3.2 软件低功耗设计与微处理器的低功耗工作模式 287
11.4 模拟信号链智能硬件设计举例 288
11.4.1 模拟信号链 288
11.4.2 信号链设计实例——通用数据采集设备设计 289
习题与思考题 308
附录A 51系列单片机指令速查表 309
附录B 逻辑符号对照表 312
参考文献 314
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| 內容試閱：
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目前，国内电子信息类、仪器类、自动化类、电气工程类、机械类、计算机类等相关专业均开设“计算机原理”“单片机与嵌入式系统设计”等课程。“计算机原理”课程是使学生掌握计算机组成原理与体系结构、汇编语言程序设计及存储器扩展等内容，是整个计算机应用技术学科的知识基础；“单片机与嵌入式系统设计”是基于计算机原理的嵌入式应用课程，为加强学生的技术应用能力培养而开设，是电子技术和计算机技术的综合应用课程，这完全符合行业对人才能力结构的需求。尽管如此，由于学时、学分的限制，以及“嵌入式系统设计”课程开设学期靠后，部分专业选择放弃“计算机原理”课程，直接开设“单片机原理”或“嵌入式系统设计”课程。其出发点有两个：一是“计算机原理”课程以16位8086/8088处理器作为模型机进行教学，内容过于陈旧；二是试图在“嵌入式系统设计”课程中植入“计算机原理”课程的内容，将“计算机原理”课程和“单片机与嵌入式系统设计”课程合二为一，在使用嵌入式微处理器学习计算机原理的同时也符合应用能力培养要求。
另外，在新工科专业建设如火如荼的当下，新工科课程的建设需要及时跟上。智能硬件作为单片机与嵌入式系统发展的新阶段，作为智能仪器、智能传感器、物联网终端等的新概称，其知识体系和课程建设是“智能 ”新工科建设的核心任务之一，因此需要配套的课程和教材建设。
本教材正是基于以上考虑，以计算机的组成和工作原理为知识主线，以智能硬件设计知识为能力主线组织学习内容，将“计算机原理”“单片机技术”“嵌入式系统设计”等多门课程整合为一门课程。本教材以单片机为模型机讲述计算机工作原理，将计算机原理的核心知识深度融入嵌入式微处理器的知识体系，通过汇编语言和C语言的对比学习和运用构建嵌入式软件编程能力，通过电子测量等项目实例对接工程应用，促使电子测量方法与传感技术等外延应用紧密结合，并加入了开源硬件内容，引导自学、课题组织和实践，形成抛砖引玉、学以致用的效果。本教材的内容整合不是简单的拼凑和压缩，而是抓住计算机原理与智能硬件应用的共性问题，去冗余、舍陈旧、铸主线，更加明晰原理和强化应用，摒弃分布在多个学期开设相关课程的现状，在原“计算机原理”课程开设学期直接实现多门核心课程的学习，在促使课程目标有效达成的同时大幅节约了学习时间，也为学生进行科技创新奠定了技术基础和预留了足够的时间。
在各具特色和优势的嵌入式微处理器产品竞相投放市场的当代，如何选择学习目标是关键问题之一。考虑到学习的典型性，本教材选取经典型51单片机为模型机，辐射嵌入式微处理器的通识，面向智能硬件应用构建知识体系。因此，本教材继承和整合作者2009年在北京航空航天大学出版社出版的《单片机及应用系统设计原理与实践》、2012年在中国电力出版社出版的《单片机及应用原理教程》、2015年在北京航空航天大学出版社出版的《单片机及工程应用基础》、2019年在北京航空航天大学出版社出版的《单片机中级教程——原理与应用》（第3版）等教材成果的基础上，多方吸取兄弟院校使用过程中的反馈意见，全面升级，与时俱进，且基于OBE理念的教学内容设计更加符合教学实际。
单片机与嵌入式系统设计类教材比较多，但是将其升级到智能硬件的教材还没有；能够将“计算机原理”课程的全部知识点有机地融入“单片机与嵌入式系统设计”课程，且不需要额外增加学时的教材还没有。另外，本教材采用汇编语言与C语言并行的撰写方式，原理与应用相统一，避免了学生长期滞留于汇编语言层面，有利于基于C语言的智能硬件设计应用型、创新型人才的培养。相关专业的新工科课程建设迫切需要将原有的嵌入式系统设计类课程升级到智能硬件类课程，且新的培养方案没有开设“计算机原理”等先导课程。本教材正好可以有效解决这一问题，符合课程整合和新工科课程建设的需要。本教材同名共享课已经在智慧树平台运行，网址为：https://coursehome.zhihuishu.com/courseHome/1000000190/ 62674/15#teachTeam。
本教材是校企合作教材，黑龙江工程学院刘海成负责编写第1章的1.1节至1.4节、第4章、第5章和附录B；黑龙江工程学院张鹏负责编写第1章的1.5节、1.6节、习题及第3章、第8章；哈尔滨工业大学刘金龙负责编写第2章、第6章和附录A；黑龙江工程学院叶光超负责编写第7章；黑龙江工程学院许聪负责编写第9章；哈尔滨市胸科医院王兵兵负责编写第10章；苏州硬木智能科技有限公司黄争负责编写第11章。全书由刘海成主持编写并统稿。哈尔滨工业大学吴芝路教授审阅了全书并提出了很多宝贵的意见，在此表示由衷的感谢。同时，书中参考和引用了许多学者和专家的著作和研究成果，在此也向他们表示诚挚的敬意和感谢。本教材由清华大学出版社和北京交通大学出版社联合出版，尤其感谢北京交通大学出版社理工分社张利军分社长一直以来的支持和帮助。
本教材要求读者具备数字电子技术（或数字逻辑、电工学）知识基础，尤其是已熟练掌握逻辑运算、进制、数值表示及运算、编码/译码、时序图等知识，不具备相关知识或相关知识已经生疏的读者，需要课前做好相关功课。另外，读者须具备基本的C语言知识。
另外，由于逻辑电路技术发展迅猛，代表着主流技术的高水平论文、芯片手册等均采用ANSI-IEEE. STD. 91元件符号标准绘制逻辑电路图，尤其是EDA等平台也均采用该标准。而且，本教材涉及诸多芯片资料和CAD图纸，内容也多采用ANSI-IEEE. STD. 91元件符号标准。因此，为了不产生歧义及便于阅读和跟踪主流技术，本教材采用ANSI-IEEE. STD. 91元件符号标准制图，并未采用国家标准GB/T 20295—2014。同时，为了便于文献交叉阅读和查阅，在附录B中给出了两套标准的逻辑符号对照。
本书虽然力求完美，但是编者水平有限，错漏之处在所难免，敬请广大读者不吝指正和赐教。
刘海成
liuhaicheng@126.com
2022年10月
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