嵌入式實時操作系統 — 基於 ARM Mbed OS 的應用實踐

王宜懷
1962年2月生，博士，教授、博士生導師、網絡工程系主任；蘇州大學嵌入式系統與物聯網研究所所長；蘇州市政協常委、中國農工民主黨蘇州市委常委；江蘇省計算機學會嵌入式系統與物聯網專業委員會主任、中國軟件行業協會嵌入式系統分會理事。主要研究方向：嵌入式系統、物聯網與智能控制技術。

第1篇基礎應用篇
第1章實時操作系統的基本概念與線程基礎知識 3
1.1 實時操作系統的基本含義 3
1.1.1 嵌入式系統的基本分類 3
1.1.2 無操作系統與實時操作系統 4
1.1.3 實時操作系統與非實時操作系統 5
1.2 實時操作系統中的基本概念 6
1.2.1 線程與調度的基本含義 6
1.2.2 內核的基本概念 7
1.2.3 線程的基本概念 9
1.3 線程的三要素、四種狀態及三種基本形式 10
1.3.1 線程的三要素 10
1.3.2 線程的四種狀態 11
1.3.3 線程的三種基本形式 13
1.4 本章小結 14

第2章相關基礎知識 17
2.1 CPU內部寄存器的分類及ARM Cortex-M處理器的主要寄存器 17
2.1.1 CPU內部寄存器的分類 17
2.1.2 ARM Cortex-M處理器的主要寄存器 18
2.2 C語言中的構造類型及編譯相關問題 21
2.2.1 C語言中的構造類型 21
2.2.2 編譯相關問題 25
2.3 實時操作系統內核使用的數據結構 26
2.3.1 棧與堆 26
2.3.2 隊列 28
2.3.3 鍊錶 29
2.4 彙編語言概述 36
2.4.1 彙編語言格式 36
2.4.2 常用偽指令簡介 38
2.5 本章小結 40

第3章Mbed OS第一個樣例工程 41
3.1 Mbed OS簡介 41
3.2 軟件和硬件開發平台 42
3.2.1 GEC架構簡介 42
3.2.2 硬件平台 43
3.2.3 軟件平台 44
3.2.4 網上電子資源 45
3.3 第一個樣例工程 46
3.3.1 樣例程序功能 46
3.3.2 工程框架設計原則 46
3.3.3 無操作系統的工程框架 47
3.3.4 Mbed OS的工程框架 51
3.4 本章小結 56

第4章實時操作系統下應用程序的基本要素 57
4.1 中斷的基本概念及處理過程 57
4.1.1 中斷的基本概念 57
4.1.2 中斷處理的基本過程 58
4.2 時間嘀嗒與延時函數 60
4.2.1 時間嘀嗒 60
4.2.2 延時函數 60
4.3 調度策略 61
4.3.1 調度基礎知識 61
4.3.2 Mbed OS中使用的調度策略 62
4.3.3 Mbed OS中的固有線程 63
4.4 實時操作系統中的功能列表 64
4.4.1 就緒列表 64
4.4.2 延時列表 64
4.4.3 等待列表 64
4.4.4 條件阻塞列表 64
4.5 本章小結 65

第5章同步與通信的應用方法 67
5.1 實時操作系統中同步與通信的基本概念 67
5.1.1 同步的含義與通信手段 67
5.1.2 同步類型 68
5.2 事件 69
5.2.1 事件的含義及應用場合 69
5.2.2 事件的常用函數 69
5.2.3 事件的編程舉例：通過事件實現中斷與線程的通信 71
5.2.4 事件的編程舉例：通過事件實現線程之間的通信 74
5.3 消息隊列 76
5.3.1 消息隊列的含義及應用場合 76
5.3.2 消息隊列的常用函數 76
5.3.3 消息隊列的編程舉例 78
5.4 線程信號 82
5.4.1 線程信號的含義及應用場合 82
5.4.2 線程信號的常用函數 83
5.4.3 線程信號的編程舉例 84
5.5 信號量 87
5.5.1 信號量的含義及應用場合 87
5.5.2 信號量的常用函數 88
5.5.3 信號量的編程舉例 89
5.6 互斥量 92
5.6.1 互斥量的含義及應用場合 92
5.6.2 互斥量的常用函數 94
5.6.3 互斥量的編程舉例 95
5.7 本章小結 98

第6章底層硬件驅動構件 99
6.1 嵌入式構件概述 99
6.1.1 製作構件的必要性 99
6.1.2 構件的基本概念 99
6.1.3 嵌入式開發中構件的分類 100
6.1.4 構件的基本特徵與表達形式 101
6.2 底層硬件驅動構件設計原則與方法 102
6.2.1 底層硬件驅動構件設計的基本原則 102
6.2.2 底層硬件驅動構件設計要點分析 103
6.2.3 底層硬件驅動構件封裝規範概要 104
6.2.4 封裝的前期準備 105
6.3 底層硬件驅動構件設計舉例 106
6.3.1 GPIO構件 106
6.3.2 UART構件 114
6.3.3 Flash構件 119
6.3.4 ADC構件 123
6.3.5 PWM構件 127
6.4 應用構件及軟件構件設計實例 131
6.4.1 應用構件設計實例 131
6.4.2 軟件構件設計實例 133
6.5 本章小結 142

第7章實時操作系統下的程序設計方法 143
7.1 程序穩定性問題 143
7.1.1 穩定性的基本要求 143
7.1.2 看門狗復位與定期復位的應用 144
7.1.3 臨界區的處理 147
7.2 中斷服務程序設計、線程劃分及優先級安排問題 148
7.2.1 中斷服務程序設計的基本問題 148
7.2.2 線程劃分的簡明方法 149
7.2.3 線程優先級安排問題 149
7.3 利用信號量解決並發與資源共享的問題 150
7.3.1 並發與資源共享的問題 150
7.3.2 應用實例 151
7.4 優先級反轉問題 155
7.4.1 優先級反轉問題的出現 155
7.4.2 Mbed OS中避免優先級反轉問題的方法 157
7.5 本章小結 162

第2篇原理剖析篇
第8章理解Mbed OS的啟動過程 165
8.1 芯片啟動到main函數之前的運行過程 165
8.1.1 尋找第一條被執行指令的存放處 165
8.1.2 通過啟動文件理解芯片啟動過程 167
8.2 Mbed OS啟動流程概要 169
8.2.1 相關宏定義及結構體 169
8.2.2 棧和堆的配置 176
8.2.3 啟動過程概述 179
8.2.4 如何運行到主線程 181
8.2.5 啟動過程總流程源代碼 182
8.3 深入理解啟動過程（一）：內核初始化解析 183
8.3.1 內核初始化準備工作 183
8.3.2 進入SVC中斷服務程序SVC_Handler 186
8.3.3 實際內核初始化函數 187
8.3.4 返回流程 199
8.4 深入理解啟動過程（二）：創建主線程、啟動內核 200
8.4.1 創建主線程 201
8.4.2 啟動內核 215
8.4.3 定時器線程函數 226
8.4.4 消息獲取與處理函數 228
8.4.5 線程延時等待函數 238
8.5 中斷服務程序SVC_Handler詳解 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完整代碼註釋 246
8.6 函數調用關係總結及存儲空間分析 249
8.6.1 啟動過程中函數的調用關係總結 250
8.6.2 啟動過程存儲空間分析 253
8.7 本章小結 257

第9章理解時間嘀嗒 259
9.1 時間嘀嗒的建立與使用 259
9.1.1 SysTick定時器的寄存器 259
9.1.2 SysTick定時器的初始化 260
9.1.3 SysTick中斷服務程序 263
9.2 延時函數 266
9.2.1 線程延時等待函數 266
9.2.2 線程延時嘀嗒函數 267
9.2.3 其他時間嘀嗒函數 269
9.3 延時等待列表工作機制 271
9.3.1 線程插入延時等待列表函數 271
9.3.2 從延時等待列表中移除線程的函數 274
9.3.3 延時函數調度過程實例剖析 275
9.4 與時間相關的函數 279
9.4.1 獲取系統運行時間函數 280
9.4.2 日期轉時間戳函數 281
9.4.3 時間戳轉日期函數 283
9.5 本章小結 286

第10章理解調度機制 287
10.1 ARM Cortex-M4的SVC和PendSV中斷的調度作用 287
10.1.1 SVC中斷的調度作用 287
10.1.2 PendSV中斷的調度作用 288
10.1.3 列表分析 288
10.2 中斷服務程序PendSV_Handler剖析 289
10.2.1 osRtxPendSV _Handler的功能概要 289
10.2.2 osRtxPendSV_Handler函數源代碼解析 290
10.2.3 跳轉到SVC_Context進行上下文切換 291
10.2.4 PendSV_Handler函數完整代碼註釋 291
10.3 PendSV應用舉例 292
10.3.1 PendSV在事件中的應用 292
10.3.2 PendSV在線程信號中的應用 296
10.4 本章小結 300

第11章理解事件與消息隊列 301
11.1 事件 301
11.1.1 事件的相關結構體 301
11.1.2 事件函數深入剖析 302
11.1.3 事件調度剖析 307
11.2 消息隊列 311
11.2.1 消息或消息隊列結構體 311
11.2.2 消息隊列函數深入剖析 313
11.2.3 消息隊列調度剖析 318
11.3 本章小結 322

第12章理解線程信號、信號量與互斥量 323
12.1 線程信號 323
12.1.1 線程操作函數 323
12.1.2 線程信號函數深入剖析 329
12.1.3 線程信號調度剖析 333
12.2 信號量 337
12.2.1 信號量控制塊結構體 337
12.2.2 信號量函數深入剖析 337
12.2.3 信號量調度剖析 341
12.3 互斥量 345
12.3.1 互斥量結構體 345
12.3.2 互斥量函數深入剖析 346
12.3.3 互斥量調度剖析 352
12.3.4 互斥量避免優先級反轉問題調度剖析 356
12.4 本章小結 359

第3篇綜合實踐篇
第13章基於Mbed OS的AHL-EORS應用 363
13.1 AHL-EORS簡介 363
13.1.1 硬件清單 363
13.1.2 硬件測試導引 364
13.2 卷積神經網絡概述 364
13.2.1 卷積神經網絡的技術特點 364
13.2.2 卷積神經網絡原理 365
13.3 AHL-EORS選用模型分析 368
13.3.1 MobileNetV2模型 369
13.3.2 NCP模型 370
13.4 AHL-EORS的數據採集與訓練過程 373
13.4.1 數據採集程序 373
13.4.2 模型訓練與部署 376
13.5 在通用嵌入式計算機GEC上進行的推理過程 377
13.6 本章小結 380

第14章基於Mbed OS的NB-IoT應用開發 381
14.1 窄帶物聯網應用開發概述 381
14.1.1 窄帶物聯網簡介 381
14.1.2 NB-IoT應用開發所面臨的難題及解決思路 382
14.1.3 直觀體驗NB-IoT數據傳輸 383
14.1.4 金葫蘆NB-IoT開發套件簡介 384
14.2 NB-IoT應用架構及通信基本過程 386
14.2.1 建立NB-IoT應用架構的基本原則 386
14.2.2 終端UE、信息郵局MPO與人機交互系統HCI的基本定義 386
14.2.3 基於信息郵局粗略了解基本通信過程 387
14.3 終端UE與雲偵聽程序的通信過程 388
14.3.1 基於mbed的終端UE模板工程設計 389
14.3.2 雲偵聽模板工程功能簡介 391
14.3.3 建立雲偵聽程序的運行場景 392
14.3.4 運行雲偵聽與終端UE模板工程 394
14.3.5 通信過程中的常見錯誤說明 396
14.4 通過Web網頁的數據訪問 397
14.4.1 運行Web模板觀察自己終端UE的數據 397
14.4.2 NB-IoT的Web網頁模板工程結構 398
14.5 通過微信小程序的數據訪問 399
14.5.1 運行小程序模板觀察自己終端UE的數據 399
14.5.2 NB-IoT的微信小程序模板工程結構 401
參考文獻 403