即时嵌入式系统 μc/ os-II pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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μC/OS–II是一种小型的嵌入式作业系统，只提供了任务管理、任务的通讯同步和简单的储存管理三项基本服务。其为一个微内核，只对电脑的处理器和硬体时钟进行了抽象和封装，而没有提供其他的硬体外接部份。

　　主要原因是μC/OS–II的开发者认为，做为一个嵌入式系统，在不同的应用中，主物件具有差异极大的硬体结构，它们的硬体部分只能由硬体供应商或者是目标系统的开发者提供或者开发。而做为嵌入式作业系统的开发者是没有办法，也没有必要提供所有的硬体外接部份。

　　由于μC/OS–II是植基于优先顺序的可内核，系统中的所有任务都有一个并且唯一的优先顺序别，适合应用在即时性要求较强的场合。此外，μC/OS–II的另一个特点是它区分用户空间和系统空间，所以也很适合在比较简单的处理器上应用。本书将介绍操作系统与任务管理、任务同步通讯、储存管理以及相关问题，并解说与ARM的应用程序实例，极具实用与参考价值。

图书简介：深入解析现代嵌入式系统设计与实践 书名：嵌入式系统设计与实践：从理论到应用 --- 第一部分：嵌入式系统的基石与演进 本书旨在为读者构建一个全面、深入且具有前瞻性的嵌入式系统知识体系。我们聚焦于现代嵌入式系统设计的核心原理、关键技术选型以及面向实际应用的工程化方法。 第一章：嵌入式系统概述与发展脉络 本章首先界定了嵌入式系统的内涵与外延，区分了通用计算系统与嵌入式系统的本质区别。详细阐述了嵌入式系统的典型应用领域（如工业控制、消费电子、医疗设备和汽车电子）及其对可靠性、实时性、功耗和体积的特殊要求。随后，我们将追溯嵌入式技术的发展历程，从早期的简单微控制器系统，到当前以SoC（系统级芯片）和FPGA为核心的复杂异构计算平台，分析每一次技术飞跃背后的驱动力——摩尔定律的延续、物联网（IoT）需求的爆发以及对更高能效比的追求。特别关注了嵌入式系统设计哲学从“功能实现”向“软硬件协同优化”的转变。 第二章：核心处理器架构深度剖析 理解处理器是理解嵌入式系统的关键。本章将超越对特定微控制器（MCU）数据手册的简单罗列，转而深入探究主流嵌入式处理器架构的内在逻辑。 指令集架构（ISA）对比： 详细比较精简指令集计算（RISC）和复杂指令集计算（CISC）在嵌入式领域的优劣。重点分析ARM Cortex-M/R/A系列处理器的流水线设计、分支预测机制以及特权等级（Privilege Levels）管理，解析这些设计如何服务于低功耗和实时性需求。 内存系统与缓存管理： 探讨内存层次结构（寄存器、SRAM、Flash、DRAM）在嵌入式系统中的布局与存取策略。深入讲解缓存（Cache）的工作原理（写回/直写、命中/未命中）及其对程序执行时序的敏感影响，特别是对于需要确定性响应的实时任务。 片上总线与互联： 分析AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）如AHB、APB以及更现代的AXI总线协议，理解数据如何在CPU、DMA控制器、外设之间高效传输。 第三章：基础硬件组件与接口技术 本章系统地梳理构成一个完整嵌入式系统的必备硬件模块及其工作机制。 存储器技术： 阐述非易失性存储器（NOR/NAND Flash、EEPROM）的读写特性、磨损平衡（Wear Leveling）算法，以及易失性存储器（SRAM、DRAM）的刷新和时序要求。 中断与定时器： 深入研究中断控制器（NVIC或等效结构）的优先级仲裁机制、嵌套中断处理流程。详述通用定时器、PWM发生器在控制回路和信号生成中的精确应用。 串行与并行通信接口： 全面覆盖I2C、SPI、UART等基础接口的协议细节和驱动实现。同时，对高速接口如PCIe、USB OTG以及工业现场总线（如CAN FD）进行高层次的介绍和应用场景分析。 --- 第二部分：软件开发与实时性保障 嵌入式软件的特殊性在于其必须与硬件紧密耦合，并在严格的时序约束下运行。本部分重点关注软件架构设计、实时操作系统（RTOS）的选型与应用，以及底层驱动的工程化开发。 第四章：嵌入式C/C++编程范式与工具链 本章强调了嵌入式软件开发的高标准要求。 内存模型与访问限定符： 详细解析`volatile`、`const`、`static`等关键字在嵌入式上下文中的精确语义，特别是对易失性寄存器和共享内存的处理。讲解指针算术和内存对齐对性能和正确性的影响。 跨平台编译与链接： 深入剖析交叉编译工具链（Cross-Compiler Toolchain）的工作流程，包括编译、汇编、链接器的脚本（Linker Script）配置，如何精确控制代码和数据在目标硬件存储器中的映射位置。 代码优化与调试技巧： 探讨编译器优化选项（如`-O3`）对代码大小和执行速度的权衡。介绍硬件调试工具（JTAG/SWD）的使用，断点设置、寄存器观察以及内存追踪在故障定位中的关键作用。 第五章：实时操作系统（RTOS）原理与应用 虽然本书不聚焦于特定RTOS的API，但我们致力于揭示所有RTOS背后的核心调度和管理机制。 任务与调度： 阐述任务（Task）的生命周期、上下文切换的开销与机制。详细分析不同调度算法（固定优先级、轮转、优先级继承/天花板协议）如何解决竞争条件和优先级反转问题，确保系统的可预测性。 同步与互斥机制： 深入探讨信号量（Semaphore）、互斥锁（Mutex）和事件标志组（Event Flags）的设计目的与正确使用场景。强调死锁（Deadlock）的识别与预防策略。 内存管理与资源分配： 分析RTOS中的堆（Heap）管理策略（如静态分配池、动态链表法）及其在实时系统中的局限性。探讨内存碎片化问题及其对系统长期稳定性的潜在威胁。 第六章：设备驱动与底层交互 驱动程序是连接软件与硬件的桥梁。本章侧重于构建健壮、可移植的驱动框架。 寄存器级编程实践： 教授如何安全有效地通过内存映射I/O（Memory-Mapped I/O）来读写硬件寄存器，强调位域操作的原子性保证。 DMA（直接内存访问）的优化应用： 解释DMA控制器如何卸载CPU，实现高效的数据块传输。重点分析链式DMA（Chained DMA）和循环缓冲区在数据采集系统中的应用。 看门狗（Watchdog）与系统复位： 讲解看门狗在确保系统从异常状态恢复中的关键作用，及其在不同模式（窗口看门狗、独立看门狗）下的配置与喂狗（Kick/Feed）策略。 --- 第三部分：现代嵌入式系统的工程化挑战 随着系统复杂度的提升，设计方法论、系统集成和验证测试成为决定项目成败的关键因素。 第七章：系统集成与软件架构模式 本章引导读者从模块化、高内聚、低耦合的角度设计大型嵌入式软件。 分层架构设计： 提出清晰的软件分层模型（硬件抽象层HAL、板级支持包BSP、中间件、应用层），确保代码的可移植性和维护性。 状态机设计： 阐述有限状态机（FSM）在处理复杂协议流程和设备模式切换中的应用，以及如何使用Harel状态图等工具进行可视化建模。 面向对象在嵌入式中的应用与取舍： 讨论C++在嵌入式环境中的优势（如封装、多态）和潜在的性能开销，并提供避免虚函数、减少堆分配的“嵌入式友好”C++编码实践。 第八章：能效管理与低功耗设计 能源效率是移动和电池供电设备的核心指标。 功耗分析基础： 介绍动态功耗与静态功耗的来源，以及电流测量在实际系统中的重要性。 睡眠模式与唤醒源管理： 深入分析处理器和外设的各种低功耗模式（如休眠、深度睡眠、待机），并设计高效的唤醒逻辑，最小化进入和退出睡眠态的延迟。 时钟门控与电压调节： 探讨动态频率调节（DVFS）的基本原理，以及如何通过时钟门控技术按需关闭不使用的模块时钟以节省能源。 第九章：测试、验证与可靠性工程 高质量的嵌入式产品需要严格的测试流程。 单元测试与集成测试： 介绍如何在无操作系统或部分模拟环境下进行嵌入式代码的单元测试。强调对关键功能模块（如定时器、中断服务程序）的回归测试策略。 硬件在环（HIL）与软件在环（SIL）仿真： 阐述如何利用仿真工具对复杂系统进行早期验证，减少对昂贵硬件原型的依赖。 故障注入与鲁棒性测试： 探讨通过故意干扰电源、模拟通信错误、越界访问等方式，测试系统异常处理机制的健壮性，确保系统在非理想环境下的稳定运行。 --- 结语 本书的最终目标是培养工程师具备系统性的工程思维，使读者不仅能“让代码跑起来”，更能设计出“可靠、高效、可维护”的下一代嵌入式产品。内容覆盖了从底层硬件交互到高层软件架构的完整技术栈，为致力于嵌入式领域深入发展的专业人员提供了坚实的理论基础和实用的实践指导。

作者简介

温坤礼

　　学历
　　国立中央大学机械工程研究所系统组博士

　　经历
　　建国工商专校电机科主任
　　建国工商专校机电光中心主任
　　中华民国灰色学会理事
　　中华民国灰色学会常务理事
　　中华民国灰色学会秘书长
　　台湾感性资讯学会秘书长

　　现职
　　建国科技大学教授(灰色系统分析研究室)
　　台湾灰色系统学会秘书长
　　计量管理期刊理事

第1章 作业系统的基本概念
1.1 电脑作业系统
1.1.1 什么是电脑作业系统
1.1.2 作业系统的功能
1.1.3 作业系统的服务和用户介面
1.2 作业系统的内核是由中断驱动的
1.2.1 中断和中断处理
1.2.2 系统时钟的实现
1.3 进程和线程的基本概念
1.3.1 进程
1.3.2 进程的结构
1.3.3 线程的基本概念
1.4 进程管理
1.4.1 进程（线程）调度
1.4.2 进程（线程）的同步与通信
1.4.3 进程的其他管理
1.5 存储管理
1.5.1 电脑记忆体的层次
1.5.2 存储空间的段页式分区
1.5.3 虚拟记忆体的概念
1.6 I/O与设备管理
1.6.1 I/O设备及其抽象
1.6.2 作业系统的设备无关性
1.6.3 作业系统对设备的管理
1.7 文件管理
1.7.1 档、档结构和档系统
1.7.2 文件的管理
1.8 宏内核与微内核
1.8.1 内核
1.8.2 宏内核与微内核
1.9 作业系统的分类
1.9.1 单用户作业系统
1.9.2 批次处理作业系统
1.9.3 分时作业系统
1.9.4 即时操作系统
1.10 作业系统的Shell
1.11 作业系统的引导和装入

第2章 即时操作系统的基本概念
2.1 即时系统及其特点
2.1.1 什么是即时系统
2.1.2 即时系统的特点
2.2 电脑即时操作系统
2.2.1 即时操作系统
2.2.2 关于内核的可剥夺性
2.2.3 即时调度
2.2.4 即时进程的可调度性
2.2.5 即时系统的时钟
2.2.6 即时系统的存储管理
2.2.7 即时系统与普通系统的比较

第3章 嵌入式系统和嵌入式即时操作系统
3.1 嵌入式系统的基本概念
3.1.1 什么是嵌入式系统
3.1.2 嵌入式系统的发展历程
3.1.3 嵌入式系统的特点
3.2 嵌入式即时操作系统
3.2.1 什么是嵌入式即时操作系统
3.2.2 微内核
3.2.3 嵌入式即时操作系统的可剪裁性及其实现
3.3 常见的嵌入式即时操作系统简介
3.3.1 常见源码开放的嵌入式作业系统
3.3.2 常见的商业嵌入式作业系统

第4章 嵌入式即时操作系统μC/OS–II及其任务
4.1 μC/OS–II概述
4.1.1 μC/OS–II的特点
4.1.2 μC/OS–II的档结构
4.1.3 μC/OS–II可剪裁性的实现
4.2 μC/OS–II的任务
4.3 μC/OS–II任务的存储结构
4.4 μC/OS–II任务的状态
4.5 μC/OS_II任务的优先顺序别
4.6 任务控制块
4.6.1 任务控制块的结构
4.6.2 任务控制块链表
4.7 任务堆叠
4.7.1 任务堆叠的创建
4.7.2 任务堆叠的初始化
4.8 系统任务
4.8.1 空闲任务
4.8.2 统计任务
4.9 临界区

第5章μC/OS–II的任务管理
5.1 就绪任务的管理
5.1.1 就绪任务表的结构
5.1.2 就绪任务表的操作
5.2 任务的创建
5.2.1 用函数OSTaskCreate( )创建任务
5.2.2 用函数OSTaskCreateExt( )创建任务
5.2.3 创建任务的一般方法
5.3 任务的挂起和恢复
5.3.1 挂起任务
5.3.2 恢复任务
5.4 其他任务管理函数
5.4.1 任务优先级别的修改
5.4.2 任务的删除
5.4.3 查询任务的资讯

第6章 μC/OS-II的任务调度
6.1 调度器OSSched( )的任务调度部分
6.2 调度器OSSched( ) 的任务切换部分
6.2.1 任务中断点的保存
6.2.2 任务的切换
6.3 调度的时机

第7章 μC/OS-II的初始化和启动
7.1 μC/OS-II的初始化
7.1.1 μC/OS-II需要初始化的资料结构及总体变数
7.1.2 μC/OS-II的初始化
7.2 μC/OS-II的启动
7.3 一个示例

第8章 μC/OS-II的中断与时钟
8.1 μC/OS-II的中断
8.1.1 μC/OS-II的中断过程
8.1.2 中断级任务切换函数
8.1.3 临界段的处理
8.2 μC/OS-II的时钟
8.3 μC/OS-II的时间管理
8.3.1 任务的延时
8.3.2 取消任务的延时
8.3.3 获取和设置系统时间

第9章 任务的同步与通信
9.1 任务间的同步和事件控制块
9.1.1 任务间的同步
9.1.2 事件
9.1.3 事件控制块
9.2 信号量及其操作
9.2.1 信号量
9.2.2 信号量的操作
9.3 任务优先顺序反转和互斥型信号量
9.3.1 任务优先顺序的反转现象
9.3.2 互斥型信号量
9.4 消息邮箱及其操作
9.4.1 消息邮箱
9.4.2 消息邮箱的操作
9.5 消息伫列及其操作
9.5.1 消息伫列
9.5.2 消息伫列的操作

第10章 信号量集
10.1 信号量集的结构
10.1.1 信号量集的标志组
10.1.2 等待任务链表
10.1.3 对等待任务链表的操作
10.2 信号量集的操作
10.2.1 创建信号量集
10.2.2 请求信号量集
10.2.3 向信号量集发信号
10.2.4 查询信号量集的状态

第11章 μC/OS-II的记忆体管理
11.1 记忆体控制块
11.1.1 记忆体的划分
11.1.2 记忆体控制块OS_MEM的结构
11.1.3 空记忆体控制块链表
11.2 记忆体的管理
11.2.1 创建记忆体分区
11.2.2 请求获得一个记忆体块
11.2.3 释放一个记忆体块
11.2.4 查询一个记忆体分区的状态

第12章 关于μC/OS-II的其他问题
12.1 关于μC/OS-II的几个问题
12.1.1 μC/OS-II只是一个微内核
12.1.2 关于μC/OS-II的Shell
12.2 μC/OS-II在PC机上的测试台
12.3 μC/OS-II在PC机上的移植
12.3.1 任务切换函数OSCtxSw( )
12.3.2 任务切换宏OS_TASK_SW( )
12.3.3 中断级任务切换函数OSIntCtxSw( )
12.3.4 PC中Dos的系统时钟
12.3.5 PC中μC/OS-II的系统时钟
12.3.6 μC/OS-II系统时钟中断服务程式
12.3.7 在任务中安装μC/OS-II系统时钟的中断向量
12.3.8 在任务中由μC/OS-II返回Dos环境

第13章 基于ARM的μC/OS-II
13.1 移植规划
13.1.1 编译器的选择
13.1.2 ARM7工作模式的选择
13.2 移植
13.2.1 文件OS_CPU.H的编写
13.2.2 文件OS_CPU_C.C的编写
13.2.3 文件OS_CPU_A.S的编写
13.2.4 关于中断及时钟节拍
13.3 移植μC/OS-II到LPC2000
13.3.1 挂接SWI软体中断
13.3.2 中断及时钟节拍中断
13.3.3 一个基于μC/OS-II和ARM的应用程式实例

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这本书的名字听起来就很有吸引力，"即时嵌入式系统 μc/ os-II"。我一直对嵌入式系统这个领域很感兴趣，尤其是那些需要精确时间控制的系统，也就是所谓的“即时”系统。μc/ os-II 作为一个知名的实时操作系统，我早就听说过它的名声，据说在资源受限的嵌入式设备上表现非常出色。所以，当我在书店看到这本书时，毫不犹豫地就把它买了下来。我对于它如何能够将“即时性”这一核心概念与 μc/ os-II 的特性相结合进行深入的阐述抱有极大的期待。我希望这本书能提供清晰的理论讲解，让我理解实时操作系统的底层原理，比如任务调度、中断处理、同步机制等等，并且能详细介绍 μc/ os-II 是如何实现这些功能的。我更期待的是，书中能有大量的实践案例，通过具体的代码示例，让我能够一步步地学习如何使用 μc/ os-II 来开发实际的嵌入式系统，包括传感器数据采集、电机控制、通信协议栈的实现等等，最好能涵盖一些常见的应用场景，例如工业自动化、医疗设备或者消费电子产品。如果这本书能真正做到理论与实践相结合，能够帮助我从入门到精通，那将是非常有价值的。

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读到“即时嵌入式系统 μc/ os-II”这个书名，我脑海里立刻浮现出各种需要精准时间控制的场景，比如机器人控制、自动驾驶、甚至是高级医疗设备。μc/ os-II 作为一个久负盛名的实时操作系统，我对它在这些高要求环境中的应用充满了好奇。我希望这本书能够系统地介绍实时操作系统的基本概念，例如优先级抢占式调度、时间片轮转调度以及各种同步机制，并详细阐述 μc/ os-II 在这些方面的实现细节。我特别期待书中能提供一些具体的项目案例，展示如何利用 μc/ os-II 来构建一个完整的嵌入式系统，涵盖从硬件选型、驱动开发到应用层逻辑的整个流程。我希望通过这些案例，能够学习到如何有效地管理任务优先级，如何处理中断，以及如何进行高效的任务间通信，从而确保系统能够满足严格的实时性指标。如果书中还能包含一些关于系统性能分析和优化的技巧，以及如何进行可靠性测试和验证的方法，那这本书的价值将会大大提升。

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这本书的标题“即时嵌入式系统 μc/ os-II”让我联想到了一系列关于实时系统设计和微控制器编程的挑战。作为一个在嵌入式领域摸爬滚打多年的工程师，我深知在资源极其有限的硬件平台上实现高可靠性和精确时间响应是多么困难。μc/ os-II 作为一个经过时间考验的实时操作系统内核，它在业界有着广泛的应用，尤其是在那些对实时性要求极高的场景下。我希望这本书能够深入探讨 μc/ os-II 的架构设计，特别是其任务管理、内存管理、中断处理和同步机制的实现细节。我非常好奇作者会如何解释 μc/ os-II 在保证实时性方面所采用的独特策略，以及如何处理并发和资源竞争的问题。另外，我也期待书中能提供一些高级的应用技巧，例如如何对 μc/ os-II 进行裁剪和优化以适应特定的硬件平台，以及如何进行性能分析和调试，以确保系统能够满足严格的实时性要求。如果这本书能够提供一些关于实时性度量和分析方法的指导，并且教会我如何利用 μc/ os-II 来构建健壮、高效的嵌入式应用程序，那么它无疑会成为我工具箱里的一件宝贵藏品。

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“即时嵌入式系统 μc/ os-II”这个书名，对我来说，就像是一扇通往高性能嵌入式开发世界的大门。我一直对微控制器编程有着浓厚的兴趣，尤其是在那些需要快速响应和精确控制的应用中。μc/ os-II 作为一款经典的实时操作系统，我相信它拥有许多值得深入研究的特性。我期待这本书能够详细介绍 μc/ os-II 的内核是如何工作的，包括其任务调度策略、中断响应机制以及与其他RTOS相比的优势。我希望它能提供清晰的图示和代码示例，帮助我理解如何在实际项目中集成和配置 μc/ os-II。尤其让我感兴趣的是，书中会如何阐述“即时性”在 μc/ os-II 中的具体体现，以及如何通过合理的系统设计和编程技巧来保证系统的实时性能。我希望这本书能够教会我如何处理复杂的并发场景，如何有效地管理系统资源，以及如何进行性能优化，以应对各种严苛的嵌入式应用需求。如果它能提供一些关于嵌入式系统调试和故障排除的实用建议，那就更棒了。

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这本书的光是名字就让我觉得它直击核心——“即时嵌入式系统”和“μc/ os-II”。我之前接触过一些嵌入式系统的开发，也曾尝试过一些RTOS，但对于“即时性”这个概念，我总觉得不够深入。这本书的出现，让我觉得这是一个很好的机会去系统性地理解实时系统的本质，以及 μc/ os-II 在这个领域中的具体角色。我猜想，书中应该会从基础的实时系统理论讲起，比如硬实时和软实时的区别，以及它们对系统设计提出的不同要求。然后，可能会深入到 μc/ os-II 的内部机制，比如它的调度算法是如何保证任务的及时性的，以及它是如何处理优先级反转等常见问题的。我特别期待看到一些关于如何正确使用 μc/ os-II 的 API 来实现各种实时功能的实例，例如如何设置精确的延时，如何处理周期性任务，以及如何通过信号量或消息队列来进行任务间的通信，同时又能保证通信的实时性。如果书中还能包含一些关于如何进行实时性测试和验证的方法，那就更完美了。