基于底层硬件的软件设计

　　《基于底层硬件的软件设计》特别适合于从事嵌入式应用系统设计的广大工程技术人员，也是高等学校/职业学校嵌入式系统软硬件设计与机电一体化教育培训的理想教材和参考书。

　　介绍基于底层硬件的软件设计，涉及了设备驱动程序的设计、嵌入式实时操作系统的定制/移植、基于底层硬件的软件体系架构等实用技术。主要包括两个方面的内容：一是通用计算机在Windows、Linux和Vx-Works等常见操作系统下的串/并/网络通信实现和USB、ISA、PCI设备/板卡的驱动程序设计；二是嵌入式应用体系的直接基本软件架构与基于μC/OS、DSP/BIOS、WinCE/EXP、μCLinux及VxWorks等常见嵌入式实时操作系统下的基本软件架构及各类常见嵌入式软件体系下的UART、SPI、CAN、EMAC、ADC、DAC、存储器件等外设/接口的驱动软件设计。书中还介绍了如何使用CPLD/FPGA/PAC等器件进行可编程数字/模拟逻辑软件的设计，进而实现所需的特定外设/接口及其连接与FPGA-SoPC软硬件协同的设计。
　　本书特别适合于从事嵌入式应用系统设计的广大工程技术人员，也是高等学校/职业学校嵌入式系统软硬件设计与机电一体化教育培训的理想教材和参考书。

　　怯肇乾（1969-），男，河南汝州人，电子与信息技术高级工程师．嵌入式系统设计师／培训师。怯公，多年从事软硬件体系及其系统工程设计，熟知Windows、Linux等应用程序设计，熟知、J2EE架构及其跨平台程序设计，熟知FPGA-SoPC软硬件协同设计，特别是嵌入式系统及其uc／Os、uc／LinuX、WinCE、VxWorks等下的软件体系架构和外设／接口的驱动程序设计。怯公，在国内许多科技期刊上独立发表过很多技术性文章，独立编著有《嵌入式系统硬件体系设计》等技术书籍，多年来还不断从事高校研究生、本科生的教学及专业技术人员的培训。

第1章 基于底层硬件的软件设计概述
1.1 底层硬件操作软件及设计的总体阐述
1.1.1 底层硬件操作软件的综合阐述
1.1.2 底层硬件操作软件的层次组织
1.1.3 基于底层硬件的操作软件设计
1.1.4 硬件操作软件设计的目的和要求
1.2 通用计算机底层硬件操作软件及设计
1.2.1 通用计算机的底层硬件软件概述
1.2.2 常用操作系统及其设备驱动介绍
1.3 嵌入式体系底层硬件操作软件及设计
1.3.1 嵌入式体系的底层硬件软件概述
1.3.2 常用ERTOS及其软件体系设计
1.3.3 嵌入式体系中的可编程逻辑设计
1.3.4 嵌入式软件体系架构的考虑要素
本章小结

第2章 Windows底层硬件的软件设计
2.1 Windows底层硬件驱动及其软件开发设计概述
2.1.1 Windows系统构造及其底层硬件驱动概述
2.1.2 Windows底层硬件设备驱动软件开发综述
2.2 用WinDDK开发设计Windows设备驱动软件
2.2.1 WinDDK设备驱动程序的软件编写
2.2.2 WinDDK设备驱动程序的编译构建
2.2.3 WinDDK设备驱动程序的检查验证
2.2.4 WinDDK设备驱动程序的安装/调试
2.2.5 WinDDK设备驱动程序的测试/使用
2.3 用DriverStudio开发设计Windows设备驱动软件
2.3.1 DriverStudio设备驱动软件开发设计概述
2.3.2 DriverStudio设备驱动程序的编译与装载
2.3.3 使用DriverStidio快速开发设备驱动软件
2.4 用WinDriver开发设计Windows设备驱动软件
2.4.1 WinDriver设备驱动程序开发工具概述
2.4.2 主要WinDriver数据结构和API函数介绍
2.4.3 用WinDriver编程向导快速开发驱动程序
2.4.4 直接利用WinDriver的API函数开发驱动程序
2.4.5 WinDriver开发的驱动程序的分发与应用
2.5 通过常见Windows通信接口进行数据传输设计
2.5.1 在Windows下通过异步串行口传输数据
2.5.2 在Windows下通过并行接口传输数据
2.5.3 通过Winsock编程接口实现以太网络通信
2.6 USB接口硬件设备的Windows驱动软件设计
2.6.1 USB体系及其WDM型驱动程序结构
2.6.2 USB硬件设备驱动程序应用设计举例
2.7 ISA/PC104接口板卡的Windows驱动软件设计
2.7.1 ISA/PC104接口板卡及其驱动程序设计概述
2.7.2 ISA/PC104板卡硬件驱动程序设计举例
2.8 PCI/CPCI接口板卡的Windows驱动软件设计
2.8.1 PCI/CPCI板卡硬件设备驱动程序的特点
2.8.2 常见PCI/CPCI板卡驱动程序的开发设计
2.8.3 DMA传输的PCI/CPCI板卡驱动程序设计
2.8.4 PCI/CPCI板卡驱动程序的调用与调试
本章小结

第3章 基于Linux操作系统底层硬件的软件设计
3.1 Linux硬件驱动及其软件开发设计概述
3.1.1 Linux下的硬件设备驱动概述
3.1.2 Linux硬件驱动软件开发设计基础
3.2 字符型硬件设备的驱动程序软件设计
3.2.1 字符型硬件设备驱动综述101
3.2.2 向系统中添加字符型设备
3.2.3 字符型设备驱动软件设计举例
3.3 块型硬件设备的驱动程序软件设计
3.3.1 块型硬件设备驱动综述
3.3.2 向系统中添加块型设备
3.3.3 块型设备驱动程序的设计
3.4 网络型硬件设备的驱动程序软件设计
3.4.1 网络设备驱动程序的运行机理概述
3.4.2 网络型设备驱动程序的具体实现
3.4.3 网络设备驱动程序的应用设计举例
3.5 常见硬件的Linux硬件驱动软件设计
3.5.1 在Linux下进行异步串行数据传输
3.5.2 在Linux下通过并行接口传输数据
3.5.3 Socket接口的以太网络数据传输
3.5.4 USB外设的Linux驱动软件设计
3.5.5 ISA/PC104板卡的Linux驱动设计
3.5.6 PCI/CPCI板卡的Linux驱动设计
3.6 用WinDriver开发Linux设备驱动程序
3.6.1 WinDriver for Linux开发工具简介
3.6.2 应用WinDriver快速开发驱动程序
3.6.3 WinDriver驱动程序的分发与应用
本章小结

第4章 VxWorks底层硬件的软件设计
4.1 VxWorks底层硬件驱动及其开发设计概述
4.1.1 VxWorks操作系统及其体系结构
4.1.2 VxWorks的BSP及其开发设计
4.1.3 VxWorks设备驱动程序及其开发设计
4.1.4 Tornado IDE及其VxWorks程序设计
4.2 字符型硬件设备的驱动程序软件设计
4.2.1 字符型硬件设备及其驱动综述
4.2.2 字符型设备驱动程序的访问过程
4.3 块型设备驱动程序设计及其文件系统操作
4.3.1 块型硬件设备及其驱动程序综述
4.3.2 块型硬件设备支持的文件系统概述
4.3.3 块型设备驱动编写举例——电子盘操作
4.4 常见通信接口的VxWorks数据传输实现
4.4.1 在VxWorks下通过异步串口传输数据
4.4.2 在VxWorks下通过并行接口传输数据
4.4.3 以Socket编程接口实现网络传输数据
4.5 USB接口设备的VxWorks驱动软件设计
4.5.1 USB协议栈及其驱动层次结构概述
4.5.2 VxWorks下的核心驱动USBD详解
4.5.3 VxWorks下的USB设备驱动及应用
4.6 ISA/PC104板卡的VxWorks驱动软件设计
4.6.1 ISA接口设备VxWorks驱动设计概述
4.6.2 ISA/PC104板卡设备的驱动设计举例
4.7 PCI/CPCI板卡的VxWorks驱动软件设计
4.7.1 PCI/CPCI板卡的驱动程序设计综述
4.7.2 PCI/CPCI板卡的驱动程序设计举例
4.8 用WinDriver开发VxWorks设备驱动程序
4.8.1 WinDriver for VxWorks开发工具介绍
4.8.2 用WinDriver开发VxWorks驱动程序
本章小 结

第5章 嵌入式基本体系及外设接口的直接软件架构
5.1 嵌入式应用系统的直接软件架构概述
5.1.1 嵌入式应用系统的直接软件架构
5.1.2 嵌入式系统直接软件架构的特点
5.2 嵌入式单片机基本体系的软件架构设计
5.2.1 嵌入式单片机体系的软件架构综述
5.2.2 嵌入式单片机体系的直接软件架构
5.3 嵌入式DSPs基本体系的软件架构设计
5.3.1 嵌入式DSPs体系的软件架构综述
5.3.2 嵌入式DSPs体系的直接软件架构218
5.4 嵌入式体系中的接口直接驱动软件设计
5.4.1 嵌入式体系硬件接口及其驱动概述
5.4.2 常见嵌入式接口的直接驱动软件设计
5.5 嵌入式体系中的外设直接驱动软件设计
5.5.1 嵌入式体系硬件外设及其驱动概述
5.5.2 常见嵌入式外设的直接驱动软件设计
5.6 嵌入式体系外设与接口的驱动程序测试
5.6.1 外设与接口驱动程序测试概述
5.6.2 外设与接口驱动测试软件编制
5.7 使用软件架构工具快速构建应用软件平台
5.7.1 常用嵌入式体系软件架构工具介绍
5.7.2 嵌入式体系软件架构工具应用举例
本章小结

第6章 嵌入式μC/OS基本体系及外设接口的软件架构
6.1 μC/OS嵌入式实时操作系统概述
6.1.1 μC/OS操作系统简要介绍
6.1.2 μC/OS下的多任务信息流
6.1.3 μC/OS的任务调度与切换
6.1.4 μC/OS的中断处理与优化
6.1.5 μC/OS软件体系的利弊分析
6.2 嵌入式μC/OS基本软件体系架构
6.2.1 μC/OS基本软件体系综述
6.2.2 μC/OS下的C语言编程
6.2.3 μC/OS移植的方法技巧
6.2.3 μC/OS移植的关键技术阐述
6.3 常见嵌入式体系的μC/OS移植
6.3.1 SCM体系的μC/OS移植
6.3.2 DSPs体系的μC/OS移植
6.4 μC/OS下的外设/接口驱动设计
6.4.1 外设接口驱动设计综述
6.4.2 典型外设接口驱动设计
6.5 μC/OS下的文件系统及存取访问
6.5.1 μC/FS文件系统及其应用
6.5.2 EMFS文件系统及其应用
6.6 μC/OS嵌入式软件体系架构应用
6.6.1 数据采集/传输系统软件架构
6.6.2 总线式数据采集软件体系架构
本章小结

第7章 嵌入式DRTOS基本体系及外设接口的软件架构
7.1 DRTOS嵌入式实时操作系统综述
7.1.1 DRTOS嵌入式操作系统概述
7.1.2 嵌入式DSP/BIOS体系综述
7.2 嵌入式DSP/BIOS基本软件体系架构
7.2.1 嵌入式DSP/BIOS软件体系开发
7.2.2 DSP/BIOS的配置工具及其使用
7.2.3 DSP/BIOS文件及其编译与链接
7.2.4 DSP/BIOS启动序列及自举引导
7.2.5 DSP/BIOS软件的调试与监测
7.3 DSP/BIOS下的外设/接口驱动软件设计
7.3.1 DSP/BIOS外设接口驱动设计概述
7.3.2 DSP/BIOS典型I/O数据传输设计
7.3.3 DSP/BIOS典型网络通信操作设计
7.3.4 DSP/BIOS类/微型驱动程序设计
7.4 DSP/BIOS嵌入式软件体系架构应用
7.4.1 DSP/BIOS数据采集体系软件架构
7.4.2 DSP/BIOS图像处理体系软件架构
7.4.3 DSP/BIOS机顶盒多任务调度架构
本章小结

第8章 嵌入式WinCE/XPE基本体系及外设接口的软件架构
8.1 WinCE/XPE嵌入式操作系统综述
8.1.1 WinXPE及软件体系开发概述
8.1.2 WinCE及软件体系开发简介
8.1.3 WinCE体系结构与功能综述
8.1.4 WinCE下应用软件开发总览
8.2 定制WinCE嵌入式基本软件体系
8.2.1 WinCE定制的一般设计流程
8.2.2 PB/组件/WinCE及构建详述
8.2.3 简单示例：定制并运行CEPC
8.3 移植WinCE嵌入式实时操作系统
8.3.1 WinCE运行的硬件需求
8.3.2 WinCE BSP及开发设计
8.3.3 WinCE引导程序的编写
8.3.4 WinCE OAL程序的编制
8.4 WinCE的设备驱动程序及其设计
8.4.1 WinCE设备驱动程序综述
8.4.2 WinCE设备驱动程序设计
8.4.3 WinCE设备驱动设计举例
8.4.4 开发与测试设备驱动程序
8.5 WinCE USB设备驱动程序及设计
8.5.1 WinCE USB软件体系综述
8.5.2 编写WinCE USB驱动程序
8.5.3 简单示例：USB鼠标驱动
8.6 WinCE NDIS网络设备驱动及设计
8.6.1 WinCE NDIS网络驱动概述
8.6.2 WinCE微端口驱动及其实现
8.7 WinCE块型设备驱动及文件系统操作
8.7.1 WinCE的块型设备驱动综述
8.7.2 块型设备系统体系及文件系统
8.7.3 实现WinCE块型设备驱动程序
8.8 常用的WinCE数据通信及其实现
8.8.1 WinCE下的通信模型综述
8.8.2 WinCE串行数据通信实现
8.8.3 WinCE网络数据通信实现
本章小结
第9章 嵌入式Linux基本体系及外设接口的软件架构
9.1 Linux嵌入式实时操作系统综述
9.1.1 Linux嵌入式操作系统概述
9.1.2 嵌入式μCLinux体系综述
9.2 μCLinux开发环境的建立及其移植
9.2.1 μCLinux开发环境简介
9.2.2 建立μCLinux开发环境
9.2.3 μCLinux的芯片级移植
9.3 μC Linux设备驱动程序及设计综述
9.3.1 μCLinux设备驱动程序概述
9.3.2 μCLinux内核模块基本框架
9.3.3 Makefile文件及其基本框架
9.4 μCLinux字符型设备驱动程序设计
9.4.1 字符型设备驱动的整体架构设计
9.4.2 相关接口操作的函数代码编写
9.4.3 底层中断及其处理程序的设计
9.4.4 编译指导文件Makefile的编制
9.4.5 字符型设备驱动的应用程序调用
9.5 μCLinux块型设备驱动与闪存文件操作
9.5.1 嵌入式块驱动及文件操作概述
9.5.2 μCLinux的块型设备驱动程序设计
9.5.3 闪存Flash驱动及文件系统操作
9.6 μCLinux的网络设备驱动及网络通信
9.6.1 μCLinux网络设备驱动程序设计
9.6.2 基于μCLinux的Socket网络通信
本章小结

第10章 嵌入式VxWorks基本体系及外设接口的软件架构
10.1 嵌入式VxWorks软件体系架构基础
10.1.1 VxWorks体系结构及设备驱动
10.1.2 VxWorks的BSP及其开发设计
10.1.3 Tornado开发工具及其IDE简介
10.2 VxWorks内核移植及BSP软件编写
10.2.1 VxWorks操作系统的移植过程
10.2.2 S3C4510B VxWorks BSP开发
10.2.3 LPC2104 VxWorks BSP设计
10.3 VxWorks下字符型设备驱动软件设计
10.3.1 字符型设备驱动及其设计简述
10.3.2 字符型设备驱动程序软件框架
10.3.3 字符型设备驱动设计应用举例
10.4 VxWorks下块型设备驱动及文件系统架构
10.4.1 块型设备驱动与文件系统操作概述
10.4.2 闪存介质CF卡及TFFS操作
10.4.3 TFFS构建与大容量闪存操作
10.5 VxWorks下的异步串口驱动程序设计
10.5.1 VxWorks异步串口驱动概述
10.5.2 串口驱动程序设计流程分析
10.5.3 示例：编写S3C2410串口驱动
10.6 VxWorks下的网络设备驱动及其实现
10.6.1 VxWorks网络设备驱动综述
10.6.2 END设备驱动程序及其编写
10.6.3 示例：RT8139C网络接口驱动
本章小结

第11章 硬件外设/接口及其片上系统的可编程软件实现
11.1 外设/接口及其片上系统软件实现综述
11.1.1 软件实现外设/接口及其片上系统
11.1.2 硬件设施软件实现应用技术简介
11.2 可编程实现常见外设/接口及简易系统
11.2.1 嵌入式应用体系的外存模块设计
11.2.2 总线接口的时序逻辑变换实现
11.2.3 常见外设/接口的PLD简易实现
11.2.4 专用外设/接口的PLD简易实现
11.2.5 简单测量/控制体系的可编程实现
11.3 外设/接口的片上可编程软件配置实现
11.3.1 PSD外设/接口的灵活软件实现
11.3.2 μPSD及其片内外设/接口的应用
11.3.3 PSoC及其片内外设/接口的应用
11.4 模拟硬件外设/接口的可编程软件设计
11.4.1 ispPAC系列器件及应用设计简介
11.4.2 用ispPAC器件设计模拟外设/接口548
11.5 特定DSP算法的FPGA可编程设计
11.5.1 DSP Builder及其DSP设计简介
11.5.2 System Generater及DSP实现综述
11.5.3 典型DSP算法的FPGA实现举例
11.6 嵌入式体系的FPGASoPC实现技术
11.6.1 常用FPGASoPC实现技术综述
11.6.2 FPGASoPC技术应用设计实践
本章小结

第12章 基于底层硬件的软件设计实践
12.1 在项目设计中规划基于底层硬件的软件架构
12.1.1 基于底层硬件体系软件架构的总体考虑
12.1.2 嵌入式应用体系软件架构的规划设计
12.1.3 通用计算机通信相关的设备驱动设计
12.1.4 特定应用系统的数据通信规约及其制订
12.2 铁路道岔运行状况监控系统的软件体系架构
12.2.1 项目构成及软件架构的主要环节综述
12.2.2 关键性子系统的软件体系架构及实现
12.3 交流电机伺服驱动监控系统的软件体系架构599
12.3.1 项目系统组成及其需要架构的软件体系
12.3.2 上/下位软件体系之间的通信及其规约
12.3.3 交流电机伺服控制器系统的软件架构
12.3.4 上位机数据传输通信软件体系的构造
12.4 μLinux下的ARM与DSPs的数据通信实现
12.4.1 项目体系的构造及关键硬件电路组成
12.4.2 ARMLinux下的HPI接口驱动设计
12.5 嵌入式RTOS下跨平台通信体系的软件架构
12.5.1 ERTOS体系跨平台通信的整体设计
12.5.2 ERTOS跨平台通信的部分代码示例
12.6 基于FPGASoPC的MP3播放器及软件架构
12.6.1 系统的总体框架设计及其功能描述
12.6.2 FPGASoPC的软硬件协同设计实现
12.7 基于底层硬件的软件设计参考书籍推荐
本章小结
参考文献

　　怎样在一个硬件平台上建立并运行一个最小的基本软件体系？怎样通过软件与系统的各种外围设备打交道？怎样通过系统的各种接口在软件上实现与外部通信？怎样使构建的整个基本软件体系在操作系统的各种硬件外设或接口既稳定可靠又实时高效？……本书系统地介绍了这些令人关注的具体设计应用中的敏感焦点技术。
　　基于底层硬件的软件设计主要是嵌入式软件体系的架构和能够对嵌入式应用系统进行监控的通用计算机设备驱动程序设计。本书介绍了两大类型的技术：一是通用计算机在Windows、Linux、VxWorks等常见操作系统下的串/并/网络通信实现和USB、ISA、PCI设备/板卡的驱动程序设计；二是嵌入式应用体系的直接基本软件架构与基于μC/OS、DSP/BIOS、WinCE/EXP、μCLinux、VxWorks等常见嵌入式实时操作系统下的基本软件架构及各类常见嵌入式软件体系下的UART、SPI、CAN、EMAC、ADC、DAC、存储器件等外设/接口的驱动软件设计，这两方面通过数据传输通信紧密地联系在一起。本书还介绍了如何使用CPLD/FPGA/PAC等器件进行可编程数字/模拟逻辑软件设计，进而实现所需的特定外设/接口及其连接与FPGASoPC软硬件协同设计。书中既有对设备驱动程序模型、嵌入式实时操作系统的定制/移植、嵌入式体系外设/接口的驱动软件架构、可编程器件软件设计等的理论介绍和实践经验汇总，又列举了大量的项目开发和实际问题解决处理的软件设计实例，是作者多年来从事软硬件项目产品开发和高校应用技术课程讲解的经验总结与资料积累。
　　本书共有12章。第1章概括描述了基于底层硬件的软件设计所涉及的技术范畴；第2～4章介绍通用计算机在常用操作系统下的设备驱动软件模型和串/并/网络的通信实现及其USB、ISA、PCI设备/板卡的驱动程序设计；第5章介绍常见微控制/处理器的基本软件体系及其外设/接口驱动软件的直接软件架构；第6～10章介绍常用嵌入式实时操作系统的定制/移植及其基本软件体系与外设/接口驱动的软件架构；第11章介绍嵌入式应用体系外设/接口的可编程逻辑设计和FPGASoPC软硬件协同设计；第12章归纳总结了基于底层硬件的软件的基本特点和设计规则并通过若干个典型的项目设计实例说明了这些设计规律的综合实践应用。
　　需要特别说明的是，相关VxWorks操作系统的底层硬件的软件设计，根据实际应用，在书中把它分为两章进行介绍：一章为通用X86及其Pentium系列计算机下的数据传输通信实现与设备驱动程序设计，另一章为像ARM等的嵌入式应用软件体系架构。在工业数据采集和控制应用中，VxWorks在X86及其Pentium系列计算机中应用普遍，几乎直接安装Tornado for X86/Pentium就可运行，所做的只是特殊的数据传输通信实现和设备驱动程序设计；而在ARM等嵌入式应用体系中，则需要做特别的操作系统移植和BSP设计及其外设/接口驱动软件设计。
　　本书具有以下4个特点：
　　1. 理论浅显易懂，偏重实用，项目设计实例丰富；
　　2. 知识涉及面广，现代新技术应用处处可见；
　　3. 软硬件嵌接紧密，重点讲述了软件如何稳定可靠、高效快速地操作硬件；
　　4. 结构组成上力求条理清晰、重点突出、目的明确，循序渐进、由浅入深、由抽象到具体、由理论到实践的思想贯穿于每一章节。
　　该书是本人“嵌入式软硬件及其系统设计”系列应用技术丛书中的第二本。本人计划写作4本书：《嵌入式系统硬件体系设计》、《基于底层硬件的软件设计》、《嵌入式应用程序及其监控软件设计》和《嵌入式系统工程规划设计》。第一本书《嵌入式系统硬件体系设计》已经出版，它是本书的基础，相关硬件的设计和操作可以参考该书。《嵌入式应用程序及其监控软件设计》是本书的后续技术书籍，本书是它的基础。
　　本书的读者群可以是从事工业检测控制、语音/图像处理与解压缩、航空航天、军事、移动通信及便携式PDA产品设计等行业的各级软硬件设计人员，也可以作为高等学校/职业学校嵌入式系统软、硬件设计与机电一体化教育培训的教材。本书的很多内容曾经被编成系列讲义，在高等学校本科生和专职/在职研究生生中讲解，收到很好的效果。愿本书的出版能够给从事或欲从事软、硬件设计的广大工程技术人员开发设计出稳定可靠、简捷便利、经济实用的嵌入式系统产品带来更多的帮助。
　　基于底层硬件软件设计的目标和方向有两个：一是嵌入式基本体系及其外设与接口的软件架构；二是通用计算机常规操作系统下的设备驱动程序设计。两者都屏蔽了所有相关硬件的操作，只留有相关硬件操作的API函数、功能性软件设计。或者说，留给应用软件工程师的任务就是在基于硬件的程序架构下编写功能代码。
　　基于底层硬件的软件设计是一门综合性软硬件协同设计技术，涉及很多应用领域及方法和技巧。由于个人知识水平和认识能力的局限，书中存在的不当或错误之处，敬请广大读者批评指正。