嵌入式 C語言自我修養 — 從芯片、編譯器到操作系統

王利濤
嵌入式工程師，培訓講師，多年嵌入式開發經驗，包括芯片測試、BSP、驅動開發、USB子系統等，目前在開發“嵌入式工程師自我修養”系列在線視頻教程，以及在個人博客“宅學部落”分享更多的嵌入式、Linux、AIoT技術。

第1章工欲善其事，必先利其器
1.1 代碼編輯工具：Vim
1.1.1 安裝Vim
1.1.2 Vim常用命令
1.1.3 Vim配置文件：vimrc
1.1.4 Vim的按鍵映射
1.2 程序編譯工具：make
1.2.1 使用IDE編譯C程序
1.2.2 使用gcc編譯C源程序
1.2.3 使用make編譯程序
1.3 代碼管理工具：Git
1.3.1 什麼是版本控制系統
1.3.2 Git的安裝和配置
1.3.3 Git常用命令

第2章計算機體系結構與CPU工作原理
2.1 一顆芯片是怎樣誕生的
2.1.1 從沙子到單晶矽
2.1.2 PN結的工作原理
2.1.3 從PN結到芯片電路
2.1.4 芯片的封裝
2.2 一顆CPU是怎麼設計出來的
2.2.1 計算機理論基石：圖靈機
2.2.2 CPU內部結構及工作原理
2.2.3 CPU設計流程
2.3 計算機體系結構
2.3.1 馮·諾依曼架構
2.3.2 哈弗架構
2.3.3 混合架構
2.4 CPU性能提升：Cache機制
2.4.1 Cache的工作原理
2.4.2 一級Cache和二級Cache
2.4.3 為什麼有些處理器沒有Cache
2.5 CPU性能提升：流水線
2.5.1 流水線工作原理
2.5.2 超流水線技術
2.5.3 流水線冒險
2.5.4 分支預測
2.5.5 亂序執行
2.5.6 SIMD和NEON
2.5.7 單發射和多發射
2.6 多核CPU
2.6.1 單核處理器的瓶頸
2.6.2 片上多核互連技術
2.6.3 big.LITTLE結構
2.6.4 超線程技術
2.6.5 CPU核數越多越好嗎
2.7 後摩爾時代：異構計算的崛起
2.7.1 什麼是異構計算
2.7.2 GPU
2.7.3 DSP
2.7.4 FPGA
2.7.5 TPU
2.7.6 NPU
2.7.7 後摩爾時代的XPU們
2.8 總線與地址
2.8.1 地址的本質
2.8.2 總線的概念
2.8.3 總線編址方式
2.9 指令集與微架構
2.9.1 什麼是指令集
2.9.2 什麼是微架構
2.9.3 指令助記符：彙編語言

第3章ARM體系結構與彙編語言
3.1 ARM體系結構
3.2 ARM彙編指令
3.2.1 存儲訪問指令
3.2.2 數據傳送指令
3.2.3 算術邏輯運算指令
3.2.4 操作數：operand2詳解
3.2.5 比較指令
3.2.6 條件執行指令
3.2.7 跳轉指令
3.3 ARM尋址方式
3.3.1 寄存器尋址
3.3.2 立即數尋址
3.3.3 寄存器偏移尋址
3.3.4 寄存器間接尋址
3.3.5 基址尋址
3.3.6 多寄存器尋址
3.3.7 相對尋址
3.4 ARM偽指令
3.4.1 LDR偽指令
3.4.2 ADR偽指令
3.5 ARM彙編程序設計
3.5.1 ARM彙編程序格式
3.5.2 符號與標號
3.5.3 偽操作
3.6 C語言和彙編語言混合編程
3.6.1 ATPCS規則
3.6.2 在C程序中內嵌彙編代碼
3.6.3 在彙編程序中調用C程序
3.7 GNU ARM彙編語言
3.7.1 重新認識編譯器
3.7.2 GNU ARM編譯器的偽操作
3.7.3 GNU ARM彙編語言中的標號
3.7.4 .section偽操作
3.7.5 基本數據格式
3.7.6 數據定義
3.7.7 彙編代碼分析實戰

第4章程序的編譯、鏈接、安裝和運行
4.1 從源程序到二進製文件
4.2 預處理過程
4.3 程序的編譯
4.3.1 從C文件到彙編文件
4.3.2 彙編過程
4.3.3 符號表與重定位表
4.4 鏈接過程
4.4.1 分段組裝
4.4.2 符號決議
4.4.3 重定位
4.5 程序的安裝
4.5.1 程序安裝的本質
4.5.2 在Linux下製作軟件安裝包
4.5.3 使用apt-get在線安裝軟件
4.5.4 在Windows下製作軟件安裝包
4.6 程序的運行
4.6.1 操作系統環境下的程序運行
4.6.2 裸機環境下的程序運行
4.6.3 程序入口main()函數分析
4.6.4 BSS段的小秘密
4.7 鏈接靜態庫
4.8 動態鏈接
4.8.1 與地址無關的代碼
4.8.2 全局偏移表
4.8.3 延遲綁定
4.8.4 共享庫
4.9 插件的工作原理
4.10 Linux內核模塊運行機制
4.11 Linux內核編譯和啟動分析
4.12 U-boot重定位分析
4.13 常用的binutils工具集

第5章內存堆棧管理
5.1 程序運行的“馬甲”：進程
5.2 Linux環境下的內存管理
5.3 棧的管理
5.3.1 棧的初始化
5.3.2 函數調用
5.3.3 參數傳遞
5.3.4 形參與實參
5.3.5 棧與作用域
5.3.6 棧溢出攻擊原理
5.4 堆內存管理
5.4.1 裸機環境下的堆內存管理
5.4.2 uC/OS的堆內存管理
5.4.3 Linux堆內存管理
5.4.4 堆內存測試程序
5.4.5 實現自己的堆管理器
5.5 mmap映射區域探秘
5.5.1 將文件映射到內存
5.5.2 mmap映射實現機制分析
5.5.3 把設備映射到內存
5.5.4 多進程共享動態庫
5.6 內存洩漏與防範
5.6.1 一個內存洩漏的例子
5.6.2 預防內存洩漏
5.6.3 內存洩漏檢測：MTrace
5.6.4 廣義上的內存洩漏
5.7 常見的內存錯誤及檢測
5.7.1 總有一個Bug，讓你淚流滿面
5.7.2 使用core dump調試段錯誤
5.7.3 什麼是內存踩踏
5.7.4 內存踩踏監測：mprotect
5.7.5 內存檢測神器：Valgrind

第6章GNU C編譯器擴展語法精講
6.1 C語言標準和編譯器
6.1.1 什麼是C語言標準
6.1.2 C語言標準的內容
6.1.3 C語言標準的發展過程
6.1.4 編譯器對C語言標準的支持
6.1.5 編譯器對C語言標準的擴展
6.2 指定初始化
6.2.1 指定初始化數組元素
6.2.2 指定初始化結構體成員
6.2.3 Linux內核驅動註冊
6.2.4 指定初始化的好處
6.3 宏構造“利器”：語句表達式
6.3.1 表達式、語句和代碼塊
6.3.2 語句表達式
6.3.3 在宏定義中使用語句表達式
6.3.4 內核中的語句表達式
6.4 typeof與container_of宏
6.4.1 typeof關鍵字
6.4.2 typeof使用示例
6.4.3 Linux內核中的container_of宏
6.4.4 container_of宏實現分析
6.5 零長度數組
6.5.1 什麼是零長度數組
6.5.2 零長度數組使用示例
6.5.3 內核中的零長度數組
6.5.4 思考：指針與零長度數組
6.6 屬性聲明：section
6.6.1 GNU C編譯器擴展關鍵字：__attribute__
6.6.2 屬性聲明：section
6.6.3 U-boot鏡像自複制分析
6.7 屬性聲明：aligned
6.7.1 地址對齊：aligned
6.7.2 結構體的對齊
6.7.3 思考：編譯器一定會按照aligned指定的方式對齊嗎
6.7.4 屬性聲明：packed
6.7.5 內核中的aligned、packed聲明
6.8 屬性聲明：format
6.8.1 變參函數的格式檢查
6.8.2 變參函數的設計與實現
6.8.3 實現自己的日誌打印函數
6.9 屬性聲明：weak
6.9.1 強符號和弱符號
6.9.2 函數的強符號與弱符號
6.9.3 弱符號的用途
6.9.4 屬性聲明：alias
6.10 內聯函數
6.10.1 屬性聲明：noinline
6.10.2 什麼是內聯函數
6.10.3 內聯函數與宏
6.10.4 編譯器對內聯函數的處理
6.10.5 思考：內聯函數為什麼定義在頭文件中
6.11 內建函數
6.11.1 什麼是內建函數
6.11.2 常用的內建函數
6.11.3 C標準庫的內建函數
6.11.4 內建函數：__builtin_constant_p(n)
6.11.5 內建函數：__builtin_expect(exp,c)
6.11.6 Linux內核中的likely和unlikely
6.12 可變參數宏
6.12.1 什麼是可變參數宏
6.12.2 繼續改進我們的宏
6.12.3 可變參數宏的另一種寫法
6.12.4 內核中的可變參數宏

第7章數據存儲與指針
7.1 數據類型與存儲
7.1.1 大端模式與小端模式
7.1.2 有符號數和無符號數
7.1.3 數據溢出
7.1.4 數據類型轉換
7.2 數據對齊
7.2.1 為什麼要數據對齊
7.2.2 結構體對齊
7.2.3 聯合體對齊
7.3 數據的可移植性
7.4 Linux內核中的size_t類型
7.5 為什麼很多人編程時喜歡用typedef
7.5.1 typedef的基本用法
7.5.2 使用typedef的優勢
7.5.3 使用typedef需要注意的地方
7.5.4 typedef的作用域
7.5.5 如何避免typedef被大量濫用
7.6 枚舉類型
7.6.1 使用枚舉的三種方法
7.6.2 枚舉的本質
7.6.3 Linux內核中的枚舉類型
7.6.4 使用枚舉需要注意的地方
7.7 常量和變量
7.7.1 變量的本質
7.7.2 常量存儲
7.7.3 常量折疊
7.8 從變量到指針
7.8.1 指針的本質
7.8.2 一些複雜的指針聲明
7.8.3 指針類型與運算
7.9 指針與數組的“曖昧”關係
7.9.1 下標運算符[]
7.9.2 數組名的本質
7.9.3 指針數組與數組指針
7.10 指針與結構體
7.11 二級指針
7.11.1 修改指針變量的值
7.11.2 二維指針和指針數組
7.11.3 二級指針和二維數組
7.12 函數指針
7.13 重新認識void

第8章C語言的面向對象編程思想
8.1 代碼復用與分層思想
8.2 面向對象編程基礎
8.2.1 什麼是OOP
8.2.2 類的封裝與實例化
8.2.3 繼承與多態
8.2.4 虛函數與純虛函數
8.3 Linux內核中的OOP思想：封裝
8.3.1 類的C語言模擬實現
8.3.2 鍊錶的抽象與封裝
8.3.3 設備管理模型
8.3.4 總線設備模型
8.4 Linux內核中的OOP思想：繼承
8.4.1 繼承與私有指針
8.4.2 繼承與抽像類
8.4.3 繼承與接口
8.5 Linux內核中的OOP思想：多態

第9章C語言的模塊化編程思想
9.1 模塊的編譯和鏈接
9.2 系統模塊劃分
9.2.1 模塊劃分方法
9.2.2 面向對象編程的思維陷阱
9.2.3 規劃合理的目錄結構
9.3 一個模塊的封裝
9.4 頭文件深度剖析
9.4.1 基本概念
9.4.2 隱式聲明
9.4.3 變量的聲明與定義
9.4.4 如何區分定義和聲明
9.4.5 前向引用和前向聲明
9.4.6 定義與聲明的一致性
9.4.7 頭文件路徑
9.4.8 Linux內核中的頭文件
9.4.9 頭文件中的內聯函數
9.5 模塊設計原則
9.6 被誤解的關鍵字：goto
9.7 模塊間通信
9.7.1 全局變量
9.7.2 回調函數
9.7.3 異步通信
9.8 模塊設計進階
9.8.1 跨平台設計
9.8.2 框架
9.9 AIoT時代的模塊化編程

第10章C語言的多任務編程思想和操作系統入門
10.1 多任務的裸機實現
10.1.1 多任務的模擬實現
10.1.2 改變任務的執行頻率
10.1.3 改變任務的執行時間
10.2 操作系統基本原理
10.2.1 調度器工作原理
10.2.2 函數棧與進程棧
10.2.3 可重入函數
10.2.4 臨界區與臨界資源
10.3 中斷
10.3.1 中斷處理流程
10.3.2 進程棧與中斷棧
10.3.3 中斷函數的實現
10.4 系統調用
10.4.1 操作系統的API
10.4.2 操作系統的權限管理
10.4.3 CPU的特權模式
10.4.4 Linux系統調用接口
10.5 揭開文件系統的神秘面紗
10.5.1 什麼是文件系統
10.5.2 文件系統的掛載
10.5.3 根文件系統
10.6 存儲器接口與映射
10.6.1 存儲器與接口
10.6.2 存儲映射
10.6.3 嵌入式啟動方式
10.7 內存與外部設備
10.7.1 內存與外存
10.7.2 外部設備
10.7.3 I/O端口與I/O內存
10.8 寄存器操作
10.8.1 位運算應用
10.8.2 操作寄存器
10.8.3 位域
10.9 內存管理單元MMU
10.9.1 地址轉換
10.9.2 權限管理
10.10 進程、線程和協程
10.10.1 進程
10.10.2 線程
10.10.3 線程池
10.10.4 協程
10.10.5 小結