嵌入式实时操作系统 ——基于ARM Mbed OS的应用实践

嵌入式实时操作系统是嵌入式人工智能与物联网终端的重要工具和运行载体。本书以ARM Mbed OS实时操作系统为背景，阐述实时操作系统的线程、调度、延时函数、事件、消息队列、线程信号、信号量、互斥量等基本要素，给出实时操作系统下的程序设计方法。本书分为基础应用篇（第1～7章）、原理剖析篇（第8～12章）及综合实践篇（第13、14章）三大部分，如果读者只做实时操作系统下的应用开发，可只阅读基础应用篇与综合实践篇；如果希望理解实时操作系统原理，那么建议通读全书。

王宜怀，男，1962年2月生，博士，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、中国农工民主党苏州市委常委；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。主要研究方向：嵌入式系统、物联网与智能控制技术。

第1篇 基础应用篇
第1章 实时操作系统的基本概念与线程基础知识 3
1．1 实时操作系统的基本含义 3
1．1．1 嵌入式系统的基本分类 3
1．1．2 无操作系统与实时操作系统 4
1．1．3 实时操作系统与非实时操作系统 5
1．2 实时操作系统中的基本概念 6
1．2．1 线程与调度的基本含义 6
1．2．2 内核的基本概念 7
1．2．3 线程的基本概念 9
1．3 线程的三要素、四种状态及三种基本形式 10
1．3．1 线程的三要素 10
1．3．2 线程的四种状态 11
1．3．3 线程的三种基本形式 13
1．4 本章小结 14
第2章 相关基础知识 17
2．1 CPU内部寄存器的分类及ARM Cortex-M处理器的主要寄存器 17
2．1．1 CPU内部寄存器的分类 17
2．1．2 ARM Cortex-M处理器的主要寄存器 18
2．2 C语言中的构造类型及编译相关问题 21
2．2．1 C语言中的构造类型 21
2．2．2 编译相关问题 25
2．3 实时操作系统内核使用的数据结构 26
2．3．1 栈与堆 26
2．3．2 队列 28
2．3．3 链表 29
2．4 汇编语言概述 36
2．4．1 汇编语言格式 36
2．4．2 常用伪指令简介 38
2．5 本章小结 40
第3章 Mbed OS第一个样例工程 41
3．1 Mbed OS简介 41
3．2 软件和硬件开发平台 42
3．2．1 GEC架构简介 42
3．2．2 硬件平台 43
3．2．3 软件平台 44
3．2．4 网上电子资源 45
3．3 第一个样例工程 46
3．3．1 样例程序功能 46
3．3．2 工程框架设计原则 46
3．3．3 无操作系统的工程框架 47
3．3．4 Mbed OS的工程框架 51
3．4 本章小结 56
第4章 实时操作系统下应用程序的基本要素 57
4．1 中断的基本概念及处理过程 57
4．1．1 中断的基本概念 57
4．1．2 中断处理的基本过程 58
4．2 时间嘀嗒与延时函数 60
4．2．1 时间嘀嗒 60
4．2．2 延时函数 60
4．3 调度策略 61
4．3．1 调度基础知识 61
4．3．2 Mbed OS中使用的调度策略 62
4．3．3 Mbed OS中的固有线程 63
4．4 实时操作系统中的功能列表 64
4．4．1 就绪列表 64
4．4．2 延时列表 64
4．4．3 等待列表 64
4．4．4 条件阻塞列表 64
4．5 本章小结 65
第5章 同步与通信的应用方法 67
5．1 实时操作系统中同步与通信的基本概念 67
5．1．1 同步的含义与通信手段 67
5．1．2 同步类型 68
5．2 事件 69
5．2．1 事件的含义及应用场合 69
5．2．2 事件的常用函数 69
5．2．3 事件的编程举例：通过事件实现中断与线程的通信 71
5．2．4 事件的编程举例：通过事件实现线程之间的通信 74
5．3 消息队列 76
5．3．1 消息队列的含义及应用场合 76
5．3．2 消息队列的常用函数 76
5．3．3 消息队列的编程举例 78
5．4 线程信号 82
5．4．1 线程信号的含义及应用场合 82
5．4．2 线程信号的常用函数 83
5．4．3 线程信号的编程举例 84
5．5 信号量 87
5．5．1 信号量的含义及应用场合 87
5．5．2 信号量的常用函数 88
5．5．3 信号量的编程举例 89
5．6 互斥量 92
5．6．1 互斥量的含义及应用场合 92
5．6．2 互斥量的常用函数 94
5．6．3 互斥量的编程举例 95
5．7 本章小结 98
第6章 底层硬件驱动构件 99
6．1 嵌入式构件概述 99
6．1．1 制作构件的必要性 99
6．1．2 构件的基本概念 99
6．1．3 嵌入式开发中构件的分类 100
6．1．4 构件的基本特征与表达形式 101
6．2 底层硬件驱动构件设计原则与方法 102
6．2．1 底层硬件驱动构件设计的基本原则 102
6．2．2 底层硬件驱动构件设计要点分析 103
6．2．3 底层硬件驱动构件封装规范概要 104
6．2．4 封装的前期准备 105
6．3 底层硬件驱动构件设计举例 106
6．3．1 GPIO构件 106
6．3．2 UART构件 114
6．3．3 Flash构件 119
6．3．4 ADC构件 123
6．3．5 PWM构件 127
6．4 应用构件及软件构件设计实例 131
6．4．1 应用构件设计实例 131
6．4．2 软件构件设计实例 133
6．5 本章小结 142
第7章 实时操作系统下的程序设计方法 143
7．1 程序稳定性问题 143
7．1．1 稳定性的基本要求 143
7．1．2 看门狗复位与定期复位的应用 144
7．1．3 临界区的处理 147
7．2 中断服务程序设计、线程划分及优先级安排问题 148
7．2．1 中断服务程序设计的基本问题 148
7．2．2 线程划分的简明方法 149
7．2．3 线程优先级安排问题 149
7．3 利用信号量解决并发与资源共享的问题 150
7．3．1 并发与资源共享的问题 150
7．3．2 应用实例 151
7．4 优先级反转问题 155
7．4．1 优先级反转问题的出现 155
7．4．2 Mbed OS中避免优先级反转问题的方法 157
7．5 本章小结 162
第2篇 原理剖析篇
第8章 理解Mbed OS的启动过程 165
8．1 芯片启动到main函数之前的运行过程 165
8．1．1 寻找第一条被执行指令的存放处 165
8．1．2 通过启动文件理解芯片启动过程 167
8．2 Mbed OS启动流程概要 169
8．2．1 相关宏定义及结构体 169
8．2．2 栈和堆的配置 176
8．2．3 启动过程概述 179
8．2．4 如何运行到主线程 181
8．2．5 启动过程总流程源代码 182
8．3 深入理解启动过程（一）：内核初始化解析 183
8．3．1 内核初始化准备工作 183
8．3．2 进入SVC中断服务程序SVC_Handler 186
8．3．3 实际内核初始化函数 187
8．3．4 返回流程 199
8．4 深入理解启动过程（二）：创建主线程、启动内核 200
8．4．1 创建主线程 201
8．4．2 启动内核 215
8．4．3 定时器线程函数 226
8．4．4 消息获取与处理函数 228
8．4．5 线程延时等待函数 238
8．5 中断服务程序SVC_Handler详解 240
8．5．1 SVC_Handler功能概要 241
8．5．2 SVC_Handler完整流程 241
8．5．3 SVC_Handler功能分段解析 243
8．5．4 SVC_Handler完整代码注释 246
8．6 函数调用关系总结及存储空间分析 249
8．6．1 启动过程中函数的调用关系总结 250
8．6．2 启动过程存储空间分析 253
8．7 本章小结 257
第9章 理解时间嘀嗒 259
9．1 时间嘀嗒的建立与使用 259
9．1．1 SysTick定时器的寄存器 259
9．1．2 SysTick定时器的初始化 260
9．1．3 SysTick中断服务程序 263
9．2 延时函数 266
9．2．1 线程延时等待函数 266
9．2．2 线程延时嘀嗒函数 267
9．2．3 其他时间嘀嗒函数 269
9．3 延时等待列表工作机制 271
9．3．1 线程插入延时等待列表函数 271
9．3．2 从延时等待列表中移除线程的函数 274
9．3．3 延时函数调度过程实例剖析 275
9．4 与时间相关的函数 279
9．4．1 获取系统运行时间函数 280
9．4．2 日期转时间戳函数 281
9．4．3 时间戳转日期函数 283
9．5 本章小结 286
第10章 理解调度机制 287
10．1 ARM Cortex-M4的SVC和PendSV中断的调度作用 287
10．1．1 SVC中断的调度作用 287
10．1．2 PendSV中断的调度作用 288
10．1．3 列表分析 288
10．2 中断服务程序PendSV_Handler剖析 289
10．2．1 osRtxPendSV _Handler的功能概要 289
10．2．2 osRtxPendSV_Handler函数源代码解析 290
10．2．3 跳转到SVC_Context进行上下文切换 291
10．2．4 PendSV_Handler函数完整代码注释 291
10．3 PendSV应用举例 292
10．3．1 PendSV在事件中的应用 292
10．3．2 PendSV在线程信号中的应用 296
10．4 本章小结 300
第11章 理解事件与消息队列 301
11．1 事件 301
11．1．1 事件的相关结构体 301
11．1．2 事件函数深入剖析 302
11．1．3 事件调度剖析 307
11．2 消息队列 311
11．2．1 消息或消息队列结构体 311
11．2．2 消息队列函数深入剖析 313
11．2．3 消息队列调度剖析 318
11．3 本章小结 322
第12章 理解线程信号、信号量与互斥量 323
12．1 线程信号 323
12．1．1 线程操作函数 323
12．1．2 线程信号函数深入剖析 329
12．1．3 线程信号调度剖析 333
12．2 信号量 337
12．2．1 信号量控制块结构体 337
12．2．2 信号量函数深入剖析 337
12．2．3 信号量调度剖析 341
12．3 互斥量 345
12．3．1 互斥量结构体 345
12．3．2 互斥量函数深入剖析 346
12．3．3 互斥量调度剖析 352
12．3．4 互斥量避免优先级反转问题调度剖析 356
12．4 本章小结 359
第3篇 综合实践篇
第13章 基于Mbed OS的AHL-EORS应用 363
13．1 AHL-EORS简介 363
13．1．1 硬件清单 363
13．1．2 硬件测试导引 364
13．2 卷积神经网络概述 364
13．2．1 卷积神经网络的技术特点 364
13．2．2 卷积神经网络原理 365
13．3 AHL-EORS选用模型分析 368
13．3．1 MobileNetV2模型 369
13．3．2 NCP模型 370
13．4 AHL-EORS的数据采集与训练过程 373
13．4．1 数据采集程序 373
13．4．2 模型训练与部署 376
13．5 在通用嵌入式计算机GEC上进行的推理过程 377
13．6 本章小结 380
第14章 基于Mbed OS的NB-IoT应用开发 381
14．1 窄带物联网应用开发概述 381
14．1．1 窄带物联网简介 381
14．1．2 NB-IoT应用开发所面临的难题及解决思路 382
14．1．3 直观体验NB-IoT数据传输 383
14．1．4 金葫芦NB-IoT开发套件简介 384
14．2 NB-IoT应用架构及通信基本过程 386
14．2．1 建立NB-IoT应用架构的基本原则 386
14．2．2 终端UE、信息邮局MPO与人机交互系统HCI的基本定义 386
14．2．3 基于信息邮局粗略了解基本通信过程 387
14．3 终端UE与云侦听程序的通信过程 388
14．3．1 基于mbed的终端UE模板工程设计 389
14．3．2 云侦听模板工程功能简介 391
14．3．3 建立云侦听程序的运行场景 392
14．3．4 运行云侦听与终端UE模板工程 394
14．3．5 通信过程中的常见错误说明 396
14．4 通过Web网页的数据访问 397
14．4．1 运行Web模板观察自己终端UE的数据 397
14．4．2 NB-IoT的Web网页模板工程结构 398
14．5 通过微信小程序的数据访问 399
14．5．1 运行小程序模板观察自己终端UE的数据 399
14．5．2 NB-IoT的微信小程序模板工程结构 401
参考文献 403