本书采用项目化教学方式，以项目、任务、活动理实一体教学模式呈现教学内容。按照循序渐进、搭积木的设计思想，共设计了10个项目：初识嵌入式系统、闪灯的设计与实现、利用UART实现上位机和下位机的通信、利用定时中断实现频闪灯和电子时钟、利用PWM实现小灯亮度控制、利用输入捕捉测量脉冲信号的周期和脉宽、利用ADC设计简易数字电压表、SPI串行通信的实现、I2C串行通信的实现、利用TSC实现触摸感应功能。其中，第1个项目旨在帮助读者初步认识嵌入式系统；其余项目均基于构件化设计，且均采用通用知识底层驱动构件的使用应用层程序设计拓展任务的学习流程。后可根据教学需要，选择部分项目或全部项目进行综合应用系统设计和课程考核。
为了方便教学和读者自学，本书配有在线教学资源，包括芯片资料、使用文档、硬件说明、源程序等。

1）把握通用知识与芯片相关知识之间的平衡。书中对于嵌入式通用知识的基本原理，以应用为立足点，进行语言简洁、逻辑清晰的阐述，同时注意与芯片相关知识之间的衔接，使读者在理解基本原理的基础上，学习芯片应用的设计，同时反过来加深对通用知识的理解。
2）把握硬件与软件的关系。嵌入式系统是软件与硬件的综合体，嵌入式系统设计是一个软件与硬件协同设计的工程，不能像通用计算机那样，把软件、硬件完全分开来看。特别是对电子系统智能化嵌入式应用来说，没有对硬件的理解就不可能设计好嵌入式软件，同样，没有对软件的理解也不可能设计好嵌入式硬件。因此，本书注重把握硬件知识与软件知识之间的关系。
3）对底层驱动进行构件化封装。书中对每个模块均给出根据嵌入式软件工程基本原则及构件化封装要求编制的底层驱动程序，同时给出详细、规范的注释及对外接口，为实际应用提供底层构件，方便移植与复用，从而为读者进行实际项目开发节省大量时间。
4）设计合理的测试用例。书中所有源程序均经测试通过，并在本书的在线教学资源中提供测试用例，避免了因例程的书写或固有错误给读者带来烦恼。这些测试用例也为读者验证与理解带来方便。
5）在线教学资源提供了所有模块完整的底层驱动构件化封装程序与测试用例、芯片资料、使用文档、硬件说明等，还制作了课件，在线教学资源的版本将会适时更新。

单片机与嵌入式系统是电子信息类、自动化类等专业的核心课程，该课程面向嵌入式系统设计师工作岗位，目的是为社会培养嵌入式智能产品设计、分析、调试与创新能力的高素质技术技能型人才。
嵌入式计算机系统简称为嵌入式系统，其概念初源于传统测控系统对计算机的需求。随着以微处理器（MPU）为内核的微控制器（MCU）制造技术的不断进步，计算机领域在通用计算机系统与嵌入式计算机系统这两大分支分别得以发展。通用计算机已经在科学计算、通信、日常生活等领域产生重要影响。在后PC时代，嵌入式系统的广阔应用是计算机发展的重要特征。一般来说，嵌入式系统的应用范围可以粗略分为两大类：一类是电子系统的智能化（如工业控制、汽车电子、数据采集、测控系统、家用电器、现代农业、嵌入式人工智能及物联网应用等），这类应用也被称为微控制器（MCU）领域。另一类是计算机应用的延伸（如平板计算机、手机、电子图书等），这类应用也被称为应用处理器（MAP）领域。在ARM系列产品中，ARM Cortex-M系列与ARM Cortex-R系列适用于电子系统的智能化类应用，即微控制器领域；ARM Cortex-A系列适用于计算机应用的延伸，即应用处理器领域。不论如何分类，嵌入式系统的技术基础是不变的，即要完成一个嵌入式系统产品的设计，需要掌握硬件、软件及行业领域相关知识。但是，随着嵌入式系统中软件规模的日益增大，对嵌入式底层驱动软件的封装也提出了更高的要求，可复用性与可移植性受到特别的关注，嵌入式软硬件构件化开发方法逐步被业界所重视。
为了实现嵌入式系统设计的可移植性和可复用性，嵌入式硬件和嵌入式软件均采用构件化的设计思想，即对嵌入式硬件和嵌入式软件进行封装，供系统设计者调用，并倡导嵌入式软件分层设计的理念，以降低嵌入式技术的教学难度和开发难度，为因材施教提供有效可行的途径，有效突出学生的学习主体地位，充分调动学生的学习积极性，使学生具有一定的创新意识和创新能力。
本书在编写过程中，坚持以学习者为中心的教学理念，按照以学生为中心、学习成果为导向、促进自主学习的思路进行教材开发设计，充分体现做中学、学中做教、学、做一体化等教育教学特色，使学校教学过程与企业的生产过程相对接。以实际、实用、必需、够用为原则，本书采用项目化教学方式，以项目、任务、活动理实一体教学模式呈现教学内容。
本书使用意法半导体公司的ARM Cortex-M4内核的STM32L431微控制器为蓝本，阐述嵌入式硬件构件和嵌入式软件构件的设计方法和使用方法。需要特别说明的是，本书以知识要素为基本立足点设计芯片底层驱动，使得应用程序与芯片无关，具有通用嵌入式计算机（GEC）性质。按照循序渐进、搭积木的设计思想，共设计了10个项目。后可根据教学需要，选择部分项目或全部项目进行综合应用系统设计和课程考核。
本书具有以下特点。
1）把握通用知识与芯片相关知识之间的平衡。书中对于嵌入式通用知识的基本原理，以应用为立足点，进行语言简洁、逻辑清晰的阐述，同时注意与芯片相关知识之间的衔接，使读者在理解基本原理的基础上，学习芯片应用的设计，同时反过来加深对通用知识的理解。
2）把握硬件与软件的关系。嵌入式系统是软件与硬件的综合体，嵌入式系统设计是一个软件与硬件协同设计的工程，不能像通用计算机那样，把软件、硬件完全分开来看。特别是对电子系统智能化嵌入式应用来说，没有对硬件的理解就不可能设计好嵌入式软件，同样，没有对软件的理解也不可能设计好嵌入式硬件。因此，本书注重把握硬件知识与软件知识之间的关系。
3）对底层驱动进行构件化封装。书中对每个模块均给出根据嵌入式软件工程基本原则及构件化封装要求编制的底层驱动程序，同时给出详细、规范的注释及对外接口，为实际应用提供底层构件，方便移植与复用，从而为读者进行实际项目开发节省大量时间。
4）设计合理的测试用例。书中所有源程序均经测试通过，并在本书的在线教学资源中提供测试用例，避免了因例程的书写或固有错误给读者带来烦恼。这些测试用例也为读者验证与理解带来方便。
5）在线教学资源提供了所有模块完整的底层驱动构件化封装程序与测试用例、芯片资料、使用文档、硬件说明等，还制作了课件，在线教学资源的版本将会适时更新。
本书由王宜怀、索明何和王玉丽编著。王宜怀负责全书的策划、内容安排、案例选取和统稿工作。
本书在编写过程中，得到了意法半导体（ST）大学计划的丁晓磊、ARM中国教育生态部的王梦馨、南京沁恒微电子的杨勇及刘帅的热心帮助和指导，在此一并表示衷心的感谢。
由于编者水平有限，疏漏之处在所难免，恳请广大专家和读者提出宝贵的修正意见和建议。

王宜怀，苏州大学计算机科学与技术学院教授、博士生导师、网络工程系主任；苏州大学嵌入式系统与物联网研究所所长；苏州市政协常委；江苏省计算机学会嵌入式系统与物联网专业委员会主任、中国软件行业协会嵌入式系统分会理事。

前言
硬件资源及在线教学资源
二维码资源清单
项目1 初识嵌入式系统1
任务1.1 运行硬件系统1
1.1.1 实践体系简介1
1.1.2 编译、下载与运行个嵌入式程序4
任务1.2 熟悉嵌入式系统的定义、发展简史、分类及特点5
1.2.1 嵌入式系统的定义5
1.2.2 嵌入式系统的发展简史7
1.2.3 嵌入式系统的分类10
1.2.4 嵌入式系统的特点11
任务1.3 熟悉嵌入式系统的学习方法12
1.3.1 嵌入式系统的学习困惑12
1.3.2 嵌入式系统的知识体系16
1.3.3 基础阶段的学习建议17
任务1.4 掌握以MCU为核心的嵌入式系统组成19
1.4.1 MCU简介19
1.4.2 以MCU为核心的嵌入式测控产品的基本组成20
【拓展任务】22
项目2 闪灯的设计与实现23
任务2.1 STM32L431硬件小系统设计23
2.1.1 STM32系列MCU简介23
2.1.2 ARM Cortex-M4微处理器简介24
2.1.3 STM32L431存储映像、引脚功能与硬件小系统设计27
任务2.2 由MCU构建通用嵌入式计算机34
2.2.1 嵌入式终端开发方式存在的问题与解决办法34
2.2.2 提出GEC概念的时机、GEC定义与特点35
2.2.3 由STM32L431构成的GEC37
任务2.3 GPIO底层驱动构件文件的使用41
2.3.1 GPIO的通用知识41
2.3.2 STM32L431的GPIO底层驱动构件文件及使用方法43
任务2.4 嵌入式构件化设计及闪灯的实现48
2.4.1 小灯硬件构件的设计及使用方法48
2.4.2 嵌入式软件小系统49
2.4.3 闪灯的应用层程序设计及效果测试51
【拓展任务】54
项目3 利用UART实现上位机和下位机的通信55
任务3.1 熟知UART的通用知识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 串行通信编程模型59
任务3.2 熟知中断的通用知识60
3.2.1 中断的基本概念60
3.2.2 中断的基本过程65
3.2.3 ARM Cortex-M4的非内核模块中断编程结构66
任务3.3 UART底层驱动构件的使用67
3.3.1 STM32L431的UART模块67
3.3.2 UART底层驱动构件文件的组成及使用方法68
任务3.4 PC与MCU的串口通信与调试71
3.4.1 UART通信的应用层程序设计71
3.4.2 使用printf函数输出数据74
【拓展任务】75
项目4 利用定时中断实现频闪灯和电子时钟76
任务4.1 利用Timer中断实现频闪灯和电子时钟76
4.1.1 Timer基本定时底层驱动构件文件的组成及使用方法77
4.1.2 利用Timer中断实现频闪灯和电子时钟的应用层程序设计79
任务4.2 利用内核定时器中断实现频闪灯和电子时钟83
4.2.1 SysTick定时器底层驱动构件文件组成及使用方法83
4.2.2 利用SysTick中断实现频闪灯和电子时钟的应用层程序设计84
【拓展任务】86
项目5 利用PWM实现小灯亮度控制87
任务5.1 熟知PWM的通用知识87
5.1.1 PWM的基本概念与技术指标87
5.1.2 PWM的应用场合90
任务5.2 Timer_PWM底层驱动构件的使用91
5.2.1 STM32L431的PWM引脚91
5.2.2 PWM底层驱动构件头文件及使用方法92
任务5.3 PWM应用层程序设计与测试93
5.3.1 PWM应用层程序设计93
5.3.2 PWM应用层程序测试95
【拓展任务】95
项目6 利用输入捕捉测量脉冲信号的周期和脉宽96
任务6.1 熟知输出比较和输入捕捉的通用知识96
6.1.1 输出比较的基本含义、原理和应用场合96
6.1.2 输入捕捉的基本含义、原理和应用场合96
任务6.2 输出比较和输入捕捉底层驱动构件的使用97
6.2.1 STM32L431的输出比较和输入捕捉引脚97
6.2.2 输出比较底层驱动构件头文件及使用方法98
6.2.3 输入捕捉底层驱动构件头文件及使用方法100
任务6.3 输出比较和输入捕捉功能的应用层程序设计与测试102
6.3.1 输出比较和输入捕捉应用层程序设计102
6.3.2 输出比较和输入捕捉应用层程序
测试105
【拓展任务】105
项目7 利用ADC设计简易数字电压表106

任务7.1 熟知ADC的通用知识106
7.1.1 模拟量、数字量及模/数转换器的基本含义106
7.1.2 与A/D转换编程相关的技术指标107
任务7.2 ADC底层驱动构件的使用111
7.2.1 STM32L431芯片的ADC引脚111
7.2.2 ADC底层驱动构件头文件及使用方法112
任务7.3 简易数字电压表的设计114
7.3.1 简易数字电压表的硬件电路组成和工作原理114
7.3.2 ADC应用层程序设计与测试115
【拓展任务】118
项目8 SPI串行通信的实现119
任务8.1 熟知SPI的通用知识119
8.1.1 SPI的基本概念119
8.1.2 SPI的数据传输原理和时序120
任务8.2 SPI底层驱动构件的使用122
8.2.1 STM32L431的SPI引脚122
8.2.2 SPI底层驱动构件头文件及使用方法123
任务8.3 SPI串行通信的应用层程序设计与测试126
8.3.1 SPI串行通信的应用层程序设计126
8.3.2 SPI串行通信的应用层程序测试128
【拓展任务】129
项目9 I2C串行通信的实现130
任务9.1 熟知I2C的通用知识130
9.1.1 I2C总线的历史概况与特点130
9.1.2 I2C总线硬件相关术语与典型硬件电路131
9.1.3 I2C总线数据通信协议132
任务9.2 I2C底层驱动构件的使用136
9.2.1 STM32L431的I2C引脚136
9.2.2 I2C底层驱动构件头文件及使用方法137
任务9.3 I2C串行通信的应用层程序设计与测试140
9.3.1 I2C