本书主要介绍了嵌入式通信系统的基本原理、主流硬件架构与操作系统，以及嵌入式通信系统的开发方法和开发实例等方面的内容。全书共分3篇（19章），第1～6章为原理篇，主要讲述嵌入式通信系统相关的基础原理以及设计开发方面的基础知识；第7～13章为系统篇，主要讲述嵌入式通信系统的各种硬件架构和操作系统；第14～19章为开发篇，结合具体嵌入式通信系统给出了若干开发方法和开发实例。
本书结合作者多年嵌入式通信系统方面的项目科研经验编写而成，既有完整的原理介绍，也有具有代表性的应用案例，适合作为高等院校电气信息类专业的教材，也可供相关科技人员参考、学习使用。

近几十年来，与数字技术相结合的各种通信系统在工业领域和民用领域获得了广泛应用和飞速发展。当今，人类对信息的获取已经成为人们工作和日常生活不可缺少的组成部分，人与人之间可通过网络和手机进行便捷的语音通话和数据交换，工业领域和家用电子设备也离不开信息的交互以实现相应的控制。各个行业对通信业务要求越来越多样化，产生了各种类型的嵌入式通信系统，包括工业控制中的网络化集成系统和人们日常生活中的各种电子设备，如空调、电表、汽车、热水器、微波炉、洗衣机和手机等，它们在内部都有单片机或者采用微处理器进行控制，同时通过各种总线或无线网络与其他设备互联。嵌入式系统和通信技术相结合能大幅提高设备的通信性能，可以通过远程通信从异地获得这些设备的相关信息并进行相应的控制，从而给工业生产和人们的生活带来极大的方便。总之，随着嵌入式系统和无线通信技术的发展，嵌入式通信系统的应用会越来越广泛。
通信领域对嵌入式通信系统方面的人才要求越来越高，国内外一些高校和培训机构也相继开设了嵌入式通信系统方面的课程。本书结合通信技术的最新发展，参照国内外最新的教材和文献资料，以作者多年从事嵌入式操作系统的实际工程项目开发经历和教学经验为基础编写而成。
目前，市面上有很多嵌入式系统方面的教材，大都是纯粹讲解操作系统的原理，对于通信专业学生而言较为枯燥。这类教材对没有操作系统基础知识的通信专业的学生来说难度偏大，且针对性不强，聚焦不明确。本书针对通信工程和电子信息专业的特点和专业培养要求，将重点放在嵌入式通信系统的应用开发上，以此为中心介绍相关的知识和技术。
本书结合作者多年从事嵌入式通信系统开发的教学以及工程项目开发实践，立足当前嵌入式技术的发展趋势、核心技术及其主要作用域，将技术原理和实践应用紧密结合，从嵌入式通信系统的原理、嵌入式通信系统的硬件架构、软件系统、设计开发和嵌入式通信系统的各种开发实例等方面向读者介绍嵌入式通信系统，由浅入深，循序渐进地讲解嵌入式通信系统的基本原理和开发技术，帮助读者掌握嵌入式通信系统的基本概念，深入理解嵌入式操作系统内核，达到掌握嵌入式通信操作系统开发技术的目的。
全书共分3篇（19章），第1章～第6章为原理篇，主要介绍嵌入式通信系统的概念、组成结构和操作系统的基础知识与基本开发调试技术。其中，第1章讲述嵌入式通信系统的定义、发展、种类、特点及其组成结构、开发相关技术与应用。第2章讲述嵌入式通信系统设计技术、开发工具以及基于Angel和JTAG的调试方法；第3章介绍嵌入式通信系统的硬件平台，包括处理器、存储器，以太网、CAN、LON等通信模块以及I/O设备；第4章介绍嵌入式通信系统的实时操作系统，首先讲述操作系统的功能、特点、发展和构成等内容，然后介绍嵌入式实时操作系统中RTOS的概念、功能、内核等内容，并且讲述了Linux、Nucleus Plus等常用的嵌入式实时操作系统；第5章介绍了嵌入式系统的联网、Internet技术等方面的内容；第6章讲述了嵌入式通信系统中电磁兼容的标准、电磁兼容测试、电磁干扰控制方法、嵌入式通信系统中PCB的电磁兼容设计及其静电防护。
第7章～第13章为系统篇，主要介绍可用于嵌入式通信系统的多种硬件架构和嵌入式操作系统。其中，第7章讲述嵌入式通信系统中硬件系统的单片机，包括单片机的概念、发展、分类等内容以及单片机的体系结构、中断与定时、单片机通信接口；第8章讲述嵌入式通信硬件系统中基于PC/104架构的处理器，介绍了PC/104标准、通信接口以及PC/104的开发环境与编程技术；第9章讲述基于ARM的嵌入式通信系统，介绍了ARM微处理器系列、ARM的体系结构、ARM的指令系统、ARM的通信接口、ARM的开发环境和编程以及基于ARM架构的嵌入式网关的开发；第10章讲述嵌入式通信系统中操作系统C/OS-II，包括C/OS-II概述、任务管理、内存管理、中断和时间管理以及C/OS-II任务之间的通信与同步、C/OS-II系统移植和C/OS-II的通信开发；第11章介绍了嵌入式操作系统Windows CE的系统结构、Windows CE的进程和线程、Windows CE存储系统、网络通信开发；第12章介绍嵌入式操作系统Linux体系结构、系统功能、驱动开发以及Linux的网络通信开发；第13章讲述嵌入式移动手机操作系统Android的开发工具、应用程序、Android程序的用户界面开发、Android的网络通信开发。
第14章～第19章为开发篇，其中，第14章介绍了工业以太网的关键技术以及嵌入式工业以太网应用实例；第15章介绍了CAN总线网络通信、CAN总线通信技术、基于STM32的CAN通信的软/硬件设计和基于CAN总线网络监控系统的软/硬件设计；第16章讲述了嵌入式Bluetooth无线网络通信；第17章讲述了Linux的ZigBee网关设计；第18章讲述了Windows CE网络服务器开发，包括系统硬件结构及平台的搭建、Windows CE操作系统的移植于软件平台的开发；第19章讲述了实例Android系统LBS定位应用开发。
本书内容丰富，可供对嵌入式通信系统有不同层次要求的专业使用，各章节内容可依据不同课时要求选讲。前言后附图为各个部分的建议授课时间，任课教师可根据实际授课情况做出相应调整。
全书由张晓勇、彭军任主编，刘伟荣任副主编并负责统筹、安排、协调、统稿、审核等，张倩倩、赵叶茹、张瑞、陈远君、秦高荣和贺健等完成文字编写、绘图、校对等工作。本书在编写过程中还得到了中南大学轨道交通网络通信与控制研究所的大力支持，在此表示感谢。同时还要感谢对本书编写给予支持的老师和同学们。
由于时间仓促，编者水平有限，书中难免存在疏漏和不当之处，恳请读者批评指正。

编 者
2016年12月

原　理　篇
第1章　嵌入式通信系统概述 1
1.1　嵌入式通信系统的定义 1
1.2　嵌入式通信系统的发展 2
1.2.1　嵌入式系统的产生和历史 2
1.2.2　嵌入式通信系统的发展现状 3
1.2.3　嵌入式通信系统的发展趋势 4
1.3　嵌入式系统的种类 5
1.3.1　按所嵌入的处理器分类 5
1.3.2　按实时性分类 6
1.3.3　按应用领域分类 7
1.3.4　按嵌入式系统软件复杂程度分类 8
1.4　嵌入式通信系统的特点 8
1.4.1　嵌入式系统的特点 8
1.4.2　嵌入式通信系统的技术特点 10
1.5　嵌入式通信系统的组成结构 11
1.5.1　硬件层 12
1.5.2　中间层 13
1.5.3　系统软件层 13
1.5.4　应用层 14
1.6　嵌入式通信系统的开发与应用 14
1.6.1　嵌入式通信系统开发相关技术 14
1.6.2　嵌入式通信系统的广泛应用 15
小　　结 16
习题 16

第2章　嵌入式通信系统的设计与开发 17
2.1　概述 17
2.2　系统设计技术 17
2.2.1　嵌入式通信系统的开发过程 17
2.2.2　系统设计的形式化方法 22
2.2.3　嵌入式通信软件设计 24
2.3　嵌入式通信系统的开发工具 28
2.3.1　开发嵌入式通信系统的高级语言 28
2.3.2　嵌入式操作系统 30
2.3.3　ADS简介 30
2.3.4　指令集模拟器 30
2.4　嵌入式通信系统的调试方法 31
2.4.1　嵌入式调试系统简介 31
2.4.2　基于Angel的调试方法 31
2.4.3　基于JTAG的调试方法 34
小结 34
习题 35
第3章　嵌入式通信系统的硬件平台 36
3.1　概述 36
3.2　嵌入式通信系统的硬件结构 37
3.3　嵌入式处理器 37
3.3.1　嵌入式处理器的分类 38
3.3.2　嵌入式处理器的特点 39
3.3.3　嵌入式处理器的选择原则 40
3.3.4　嵌入式处理器的发展历程 40
3.4　嵌入式通信系统的存储器 41
3.4.1　存储器系统的层次结构 41
3.4.2　随机存储器 41
3.4.3　只读存储器 43
3.5　嵌入式通信系统的通信模块 45
3.5.1　以太网 45
3.5.2　CAN 46
3.5.3　LON（LonWorks协议） 48
3.5.4　无线通信 48
3.6　嵌入式通信系统的I/O设备 50
3.6.1　输入设备 50
3.6.2　输出设备 51
小结 52
习题 52
第4章　嵌入式通信系统的实时操作系统 53
4.1　概述 53
4.2　操作系统 53
4.2.1　操作系统的概念和功能 54
4.2.2　进程 54
4.2.3　操作系统的分类 56
4.3　嵌入式操作系统 57
4.3.1　嵌入式操作系统的概念和特点 57
4.3.2　嵌入式操作系统的发展 58
4.3.3　嵌入式操作系统的构成 58
4.4　嵌入式实时操作系统 59
4.4.1　RTOS的概念和功能 59
4.4.2　RTOS的重要评价指标 60
4.5　常用嵌入式实时操作系统 62
4.5.1　嵌入式Linux 62
4.5.2　Nucleus Plus 62
4.5.3　C/OS-Ⅱ 62
4.5.4　Windows CE 63
4.5.5　VxWorks 63
4.6　嵌入式操作系统的选择 64
小结 64
习题 64
第5章　嵌入式通信系统的网络及协议栈 65
5.1　概述 65
5.2　嵌入式通信系统的联网 65
5.2.1　选择协议栈 65
5.2.2　选择网络技术 66
5.2.3　选择成熟的实现方案 66
5.2.4　使用标准的应用协议 67
5.2.5　流行的网络体系结构 67
5.3　嵌入式Internet技术 68
5.3.1　网络体系结构 68
5.3.2　嵌入式Internet基础 70
5.3.3　嵌入式Internet的实现方式 70
小结 72
习题 72
第6章　嵌入式通信系统的电磁兼容 73
6.1　概述 73
6.2　嵌入式通信系统中电磁兼容的标准 73
6.2.1　电磁兼容的基本概念 73
6.2.2　电磁兼容标准 75
6.3　嵌入式通信系统的电磁兼容测试 77
6.3.1　电磁兼容的测试标准 77
6.3.2　电磁兼容的测试仪器 77
6.3.3　电磁兼容的测试场地 77
6.4　嵌入式通信系统的电磁干扰控制方法 78
6.4.1　常见的EMI问题 78
6.4.2　EMI控制技术 79
6.4.3　接地 79
6.4.4　其他方法 83
6.5　嵌入式通信系统中印制电路板的电磁兼容设计 84
6.5.1　常用元器件的选择 84
6.5.2　PCB的走线 86
6.6　嵌入式通信系统的静电防护 87
6.6.1　静电的产生和危害 87
6.6.2　ESD的模型 88
6.6.3　静电的消除 88
6.6.4　PCB的静电防护 89
小结 90
习题 90
系　统　篇
第7章　基于单片机的嵌入式通信系统 91
7.1　概述 91
7.1.1　单片机的概念 91
7.1.2　单片机的发展史 91
7.1.3　单片机的分类 92
7.2　单片机的体系结构 92
7.2.1　MCS-51单片机的硬件结构 93
7.2.2　MCS-51单片机的引脚 94
7.2.3　MCS-51单片机存储器结构 95
7.2.4　MCS-51单片机最小系统电路 99
7.3　单片机中断系统 100
7.4　单片机定时器/计数器 105
7.5　单片机的串行通信接口 108
小结 111
习题 111
第8章　基于PC/104架构的嵌入式通信系统 112
8.1　概述 112
8.2　PC/104标准 113
8.2.1　模块标准 113
8.2.2　引脚信号 114
8.3　PC/104结构体系 116
8.4　PC/104通信接口 117
8.4.1　外部连接器 117
8.4.2　多用接口 119
8.4.3　串行端口 120
8.4.4　并行端口 120
8.4.5　软盘接口 121
8.4.6　CRT接口 121
8.4.7　平板显示接口 122
8.4.8　IDE端口 123
8.4.9　ETH/USB1端口 123
8.4.10 USB2端口 124
8.4.11 AUDIO端口 124
8.5　PC/104的开发环境与编程 124
8.5.1　QNX概述 124
8.5.2　QNX系统命令 125
8.5.3　QNX应用程序开发 128
小结 130
习题 130
第9章　基于ARM架构的嵌入式通信系统 131
9.1　概述 131
9.1.1　ARM微处理器系列 131
9.1.2　ARM微处理器结构 133
9.2　ARM的结构体系 134
9.2.1　ARM体系结构的特点 134
9.2.2　ARM体系结构的存储器格式 135
9.2.3　ARM微处理器模式 136
9.3　ARM的指令系统 136
9.3.1　ARM微处理器的指令集概述 136
9.3.2　ARM指令的寻址方式 138
9.3.3　ARM指令集 139
9.4　ARM的通信接口 142
9.4.1　S3C4510B概述 142
9.4.2　串行通信接口 144
9.4.3　以太网通信接口 144
9.5　基于ARM架构的嵌入式网关 145
9.5.1　硬件平台设计 145
9.5.2　软件平台设计 147
小结 149
习题 149
第10章　嵌入式操作系统C/OS-II 150
10.1　概述 150
10.2　C/OS-II任务管理 151
10.3　C/OS-II内存管理 152
10.4　C/OS-II中断和时间管理 154
10.4.1　C/OS-II的中断服务子程序 154
10.4.2　C/OS-II的时间管理 156
10.5　C/OS-II任务之间的通信与同步 158
10.5.1　事件控制块 158
10.5.2　消息邮箱 159
10.5.3　消息队列 160
10.6　C/OS-II系统移植 160
10.6.1　C/OS-II移植条件 161
10.6.2　移植过程 161
10.6.3　移植测试 162
10.7　C/OS-II的通信开发 163
10.7.1　C/OS-II系统CAN总线开发 163
10.7.2　C/OS-II系统以太网开发 165
小结 168
习题 168
第11章　嵌入式操作系统Windows CE 169
11.1　嵌入式操作系统Windows CE概述 169
11.2　Windows CE体系结构 170
11.3　Windows CE进程和线程 174
11.3.1　Windows CE进程 174
11.3.2　Windows CE线程 175
11.3.3　线程调度 176
11.3.4　线程同步 177
11.3.5　进程间通信 179
11.4　Windows CE存储系统 180
11.4.1　内存管理 180
11.4.2　文件管理与注册表 183
11.5　Windows CE的网络通信开发 184
11.5.1　Windows CE通信简介 185
11.5.2　WinSock和IRSock 185
11.5.3　UDP编程 186
11.5.4　TCP编程 186
11.5.5　FTP编程 187
小结 188
习题 188
第12章　嵌入式操作系统Linux 190
12.1　概述 190
12.2　Linux体系结构 192
12.2.1　嵌入式操作系统的体系结构 192
12.2.2　Linux体系结构 194
12.3　Linux系统功能 195
12.3.1　内存管理 195
12.3.2　进程管理 198
12.3.3　文件系统 200
12.3.4　设备管理 201
12.4　Linux的驱动开发 202
12.4.1　Linux的驱动概述 202
12.4.2　Linux设备驱动程序的基本结构 203
12.4.3　Linux设备驱动分类 203
12.4.4　Linux设备的控制方式 204
12.4.5　Linux设备驱动开发流程 205
12.5　Linux的网络通信开发 205
12.5.1　网络协议参考模型 206
12.5.2　TCP和UDP 206
12.5.3　TCP通信编程 207
12.5.4　UDP通信编程 210
小结 211
习题 211
第13章　嵌入式移动手机操作系统 Android 212
13.1　概述 212
13.1.1　初识Android系统 212
13.1.2　Android核心功能模块 213
13.2　Android的开发工具 215
13.2.1　系统需求 215
13.2.2　搭建Android开发环境 216
13.3　Android应用程序 217
13.3.1　简介 217
13.3.2　Android资源文件 217
13.3.3　Android应用程序构成 218
13.4　Android程序的用户界面开发 219
13.4.1　界面控件 219
13.4.2　界面布局 222
13.5　Android的网络通信开发 223
13.5.1　Android的网络基础 223
13.5.2　HTTP通信 224
13.5.3　Socket通信 225
13.5.4　Wi-Fi通信 226
小结 228
习题 228
开　发　篇
第14章　嵌入式工业以太网 229
14.1　以太网综述 229
14.1.1　以太网及其特点 229
14.1.2　以太网络系统 230
14.1.3　以太网络协议 232
14.2　工业以太网及其关键技术 233
14.2.1　工业以太网及其特点 233
14.2.2　工业以太网关键技术分析 233
14.3　嵌入式工业以太网应用实例 235
14.3.1　网口驱动及其直接通信应用 235
14.3.2　嵌入式TCP/IP协议栈移植及应用 238
小结 242
习题 242
第15章　嵌入式CAN总线网络通信 243
15.1　CAN总线网络通信综述 243
15.1.1　CAN总线简介 243
15.1.2　CAN总线发展概况 244
15.2　CAN总线通信技术 244
15.2.1　CAN总线协议 244
15.2.2　CAN总线报文传输 246
15.2.3　CAN总线驱动分析 247
15.3　基于STM32的CAN通信的软/硬件设计 248
15.3.1　CAN总线拓扑结构 248
15.3.2　CAN总线结点的硬件构成 248
15.3.3　双结点CAN线通信 248
15.3.4　CAN通信系统软件的设计 249
15.4　基于CAN总线网络监控系统的软/硬件设计 251
15.4.1　CAN总线监控方案 252
15.4.2　CAN总线监控系统的硬件设计 252
15.4.3　CAN总线监控软件设计 254
小结 258
习题 258
第16章　嵌入式Bluetooth无线网络通信 259
16.1　Bluetooth传输协议 259
16.1.1　蓝牙无线层 259
16.1.2　蓝牙基带层 261
16.1.3　主机控制器接口 262
16.2　嵌入式Bluetooth点对点通信系统 263
16.2.1　Bluetooth模块和开发工具包 264
16.2.2　点对点无线通信系统的组建 264
16.2.3　嵌入式Bluetooth通信系统软件设计 265
16.3　嵌入式Bluetooth信息共享系统 267
16.3.1　系统硬件框架设计 268
16.3.2　系统软件框架设计 268
16.3.3　Bluetooth语音短消息功能设计实现 270
小结 272
习题 272
第17章　Linux的ZigBee网关设计 273
17.1　ZigBee标准介绍 273
17.1.1　ZigBee技术的概念和发展 273
17.1.2　ZigBee技术的特点 273
17.1.3　ZigBee网络结构 274
17.1.4　ZigBee协议栈 274
17.2　ZigBee网关硬件结构 275
17.2.1　网络的整体框图 275
17.2.2　网关的硬件框架 276
17.2.3　ZigBee通信模块 276
17.2.4　ARM核心板 277
17.2.5　网络模块 278
17.2.6　电源模块 278
17.3　ZigBee网关软件结构 279
17.3.1　Z-Stack协议栈 279
17.3.2　无线传感器网络 280
17.3.3　Linux开发平台的搭建 281
17.3.4　嵌入式Web服务器搭建 283
17.4　ZigBee网关数据收发与应用处理 284
17.4.1　嵌入式数据库在网关中的应用 285
17.4.2　网页动态显示传感器数据 286
小结 289
习题 289
第18章　Windows CE网络服务器开发 290
18.1　Windows CE网络服务器通信架构 290
18.2　系统硬件结构及平台搭建 291
18.2.1　嵌入式Web服务器的系统结构 291
18.2.2　系统硬件结构 292
18.2.3　Web服务器的软件总体设计 293
18.3　Windows CE操作系统移植与软件平台开发 294
18.3.1　概述 294
18.3.2　Microsoft Platform Builder平台开发 294
18.3.3　OAL层开发 296
18.3.4　S3C2410平台驱动开发 297
18.4　嵌入式Web服务器软件实现 301
18.4.1　Web服务端应用软件实现 301
18.4.2　客户端ActiveX控件的实现 302
小结 303
习题 303
第19章　Android系统LBS定位应用开发 304
19.1　概述 304
19.2　手机定位技术 304
19.2.1　卫星定位技术 304
19.2.2　蜂窝网定位技术 305
19.3　开发环境及关键技术 307
19.3.1　Android平台概述 307
19.3.2　位置服务 309
19.3.3　百度地图Android SDK 309
19.4　系统功能分析与设计 310
19.4.1　需求分析 310
19.4.2　Android开发环境的搭建 311
19.5　系统功能实现 314
19.5.1　地图浏览功能的实现 314
19.5.2　地图模式选择功能的实现 315
19.5.3　用户定位功能的实现 315
19.5.4　地点搜索功能的实现 316
19.5.5　周边查询功能的实现 317
19.5.6　路径服务功能的实现 317
小结 319
习题 319
参考文献 320