本书主要介绍了嵌入式系统软硬件协同设计的相关内容。 全书共分为7章，第1章介绍了嵌入式系统的定义、组成、特点、举例、发展历史、应用领域以及设计指标；第2章介绍了系统设计建模中的规格与需求、建模方法、统一建模语言（UML）及其图表实例、设计方法和 Kopetz 嵌入式系统设计方法；第3章介绍了硬件设计，包括微控制器与微处理器、微控制器历史、各类微控制器、各种传感器、模拟前端、输出和执行器、外设和总线系统、通信系统、PWM、电池考虑因素、SPICE 仿真和 PCB 设计；第4章介绍了软件设计，如嵌入式软件相关的编程语言、编程质量、软件环境、STM32 程序处理技术、数据端口队列、中断、睡眠模式、定时器、人工智能、内存考虑、计算和软件计算模型、带操作系统的嵌入式系统以及软件性能测量；第5章介绍了原型设计与验证，涵盖仿真和模拟、原型设计阶段、测试、验证和调试以及验证与评估；第6章介绍了可靠性分析与优化，包含可靠性、可用性分析、故障分析、故障测试方法、ES 优化、Pareto 分析和优化范围；第7章介绍了嵌入系统发展趋势，包括嵌入式系统的影响、面临的问题与关注以及未来技术创新解决方案。

张颖：女，中共党员，硕士研究生，湖南信息职业技术学院讲师，曾获得”我身边的好老师“征文比赛省级二等奖；以第一作者公开发表论文5篇，其中SCI收录1篇，EI收录2篇；参编教材2部；参与国家级、省级课题10余项；取得发明专利1项、软件著作权6项；获省级职业院校教师教学能力比赛三等奖2项、二等奖2项；指导学生参加各级各类竞赛获奖多次。

目录1.嵌入式系统的范式跃迁与产业重构61.1嵌入式系统的本体论构建与技术范式61.1.1概念谱系的多维构建61.1.2硬件拓扑与跨层协同机制71.1.3约束驱动下的系统特性演化81.1.4CPS范式下的智能洗衣机的闭环控制91.2嵌入式系统的历史脉络与技术跃迁101.3嵌入式系统的泛在化应用图谱121.3.1物联网拓扑的云端-边缘协同范式131.3.2人体增强技术的生物电子融合141.3.3生物电子界面的人机共生141.3.4多模态感知移动智能体151.3.5人居环境的智能体协同网络161.3.6 CPS系统的闭环反馈控制161.3.7具身智能的形态演化161.3.8低空智联网的异构任务融合171.3.9能源互联网的分布式自治181.4 约束优化的多目标决策182. 嵌入式系统协同架构设计范式研究202.1系统需求工程与规格定义202.2 形式化建模体系构建212.3 UML建模语言在嵌入式系统的演进应用222.3.1 UML元模型扩展机制232.3.2 实时系统建模语义增强272.3.3 UML的核心建模元素282.4 智慧温室控制系统的多视图建模实践302.5硬件-软件功能协同划分332.6 安全关键系统设计原则333. 嵌入式系统硬件架构解析353.1微控制器架构演进与核心组件353.2微控制器技术发展史363.3微控制类型与技术演进363.4主流MCU生态系统403.5主流开发板生态系统423.6 MCU选型与开发流程453.7 多模态传感机制453.5 信号处理与数字化523.5.1 模拟滤波器533.5.2 数字滤波器553.5.3 模数转换间的桥梁553.6 驱动机制与接口优化573.6.1 嵌入式系统的内存管理573.6.2 各种模拟和数字执行器583.6.3 输出驱动电路和端口583.7 外设管理系统架构583.7.1 数据缓冲的实时性保障593.7.2 DMA控制器的带宽优化613.7.3 定时器中断的能耗控制613.8 嵌入式系统通信架构与实现623.8.1 串行与并行通信机制623.8.2 同步通信和异步通信原理633.8.3 有线通信协议与拓扑实现633.8.4 无线通信协议与网络拓扑703.8.5 无线通信安全机制723.8.6系统可靠性保障723.9 脉宽调制（PWM）硬件实现733.10 电源管理与电池技术743.10.1 电池化学体系与选型743.10.2 低功耗系统设计753.11 硬件系统协同设计753.11.1 原理图设计与验证流程763.11.2 PCB布局优化与制造规范784. 从裸机到RTOS的架构演进814.1 嵌入式软件设计开发与核心要素814.2 实时系统的执行环境构建864.2.1 实时操作系统的内核调度与资源管理864.2.2 裸机环境下的实时响应与中断驱动874.3 ARM Cortex-M指令级优化874.3.1 位操作的硬件加速机制884.3.2 混合信号端口的配置884.3.3 外设寄存器的原子访问控制894.3.4 位掩码操作的原子性保障与并发控制914.3.5 底层硬件接口的直接访问范式924.4 数据端口队列与缓冲技术实现934.5 中断系统架构与配置方法994.6STM32睡眠模式分类与特性对比1044.7定时器系统架构1064.8人工智能应用1074.8.1机器学习和深度学习1134.8.2在嵌入式系统上实现人工神经网络1144.9资源受限环境下的内存管理1144.10确定性计算模型的设计原则1144.11实时系统的并发控制机制1154.12嵌入式软件的性能评估1225. 仿真建模与系统模拟1235.1多维度原型实现策略1235.1.1基于标准开发板的原型验证1235.1.2机械特性快速验证的增材制造技术1245.1.3定制化PCB设计1245.2系统化测试与验证1245.2.1测试目标1255.2.2测试范围的多维度解耦1255.2.3多维度测试方法1255.2.4测试的注意事项1255.2.5测试设计1265.3功能与时序的协同验证1275.3.1功能完备性验证1275.3.2时序约束验证1275.3.3正式验证1285.4复杂系统调试的挑战1285.4.1调试复杂系统的考虑因素1285.4.2时间触发系统的调试难度1285.5验证评估与持续优化1296. 嵌入式系统可靠性工程与多维度优化1306.1 可靠性建模与衰减机制分析1306.2 系统可用性评估指标与时间参数1326.3 系统故障模式与影响分析方法1326.3.1 故障树分析（FTA）1326.3.2 组件级失效传播效应分析（FMEA）1326.3.3 基于环境模拟的故障注入验证技术1336.4 故障模拟与覆盖度评估技术1336.4.1 硬件抽象层故障建模方法1336.4.2 故障覆盖度量化体系构建1336.5 嵌入式系统多目标优化框架1346.6多目标优化中的帕累托前沿理论1346.6.1解空间维度映射与目标函数构建1346.6.3帕累托最优解1356.6.4多维解空间1356.7关键领域定向优化技术1356.7.1低功耗设计与能量管理1356.7.2电磁干扰与兼容性1366.7.3指令集优化与代码效率提升1366.7.4任务粒度动态重构1376.7.5数值精度与运算效能平衡1376.7.6存储器层次化能耗优化1377. 人工智能时代的嵌入式技术变革1387.1 嵌入式技术对社会经济结构的范式重构1387.1.1 泛在感知网络与生物电子融合创新1387.1.2 自主决策系统与交通形态演化1397.1.3 电动化转型中的能量管理范式1397.1.4 仿生机器人技术的社会服务渗透1407.1.5 低空经济生态中的自主飞行系统1407.1.6 智能电网拓扑重构与分布式控制1407.2 技术演进引发的社会挑战1407.2.1 监管框架滞后性的技术应对1407.2.2 机器伦理困境的应对1417.2.3 劳动力市场重构的数字化转型1417.3 前沿技术突破与系统性解决方案1427.3.1 边缘智能计算架构突破1427.3.2 物联网创新延伸1427.3.3 自动驾驶系统突破1427.3.4 电动化能源管理创新1437.3.5 机器人群体智能突破1437.3.6 无人机空域管理升级1437.3.7 问题应对创新方案143参考文献 146