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出版信息

专业嵌入式软件开发——全面走向高质高效编程李云 著

ISBN 978-7-121-14783-8

2012年1月出版

定价：108.00元（含DVD光盘1张）

16开

640页

内容简介

本书分为6篇。硬件篇就嵌入式软件开发所需掌握的处理器概念进行了介绍。工具篇对make、gcc编译器、bintuils工具集、ld链接器和gdb调试器进行了讲解，其中对make这一嵌入式开发环境的全能管家进行了精辟的介绍，致力于帮助读者成为Makefile方面的专家。编程语言篇致力于让读者更深入地理解C编程语言。操作系统篇通过循序渐进的方式介绍ClearRTOS的设计与实现，使得读者能透彻地理解操作系统的关键概念和实现原理。设计篇和质量保证篇通过实践的方式逐步展开讲解，以帮助读者获得一些实用的设计原则、最佳实践和一套有效的质量保证方法论。

本书适合嵌入式软件开发领域的新手和在工作中碰到瓶颈的老手阅读。阅读本书要求读者已掌握C编程语言和基本的UML知识。

前 言

我于2000年第一次接触嵌入式软件开发工作，那时和很多入门者一样，因为找不到全面、易懂、深入的读物，也没有人指导，因而遭遇了极大的自学痛苦。即使在今天，学习嵌入式软件开发似乎仍困难重重，这从我的博客空间不时有网友发私信询问如何学习可以看出。

我也曾被网友要求推荐学习嵌入式软件开发的好书。但当我以“嵌入式”关键字在网上书店进行搜索时，所获得的书大部分与Linux、Windows CE、Android和ARM有关。在我看来，网友并不是让我帮助他选择Linux还是Windows CE，ARM还是x86，而认为他希望获得一本学习通用原理和方法的书，因此不敢贸然推荐。基于这种现状，我萌发了写一本既能指导新手入门，又能帮助老手获得突破的书。读者手上拿的正是这本书！本书的创作始于2009年6月，历时2年后于2011年下半年面市。

在本书的创作之初，我问自己：这本书应当包含哪些内容呢？或许可以根据自己过去十多年所经历并克服的成长痛苦进行编排！

嵌入式软件开发是一种软硬件结合非常紧密的职业，对工程师的能力要求自然也就高了。刚开始学习嵌入式软件开发时，最困难的莫过于学习操作系统原理和处理器方面的知识，所以本书必须包含这两方面的内容。讲解操作系统原理如果以Linux、Windows CE等成熟的操作系统为素材并不好，因为它们太大，很容易让人“只见森林不见树木”，也容易让人望而生畏而失去学习的兴趣和信心。从软件开发的角度来看，操作系统的概念和实现原理一旦掌握，不论基于哪一个操作系统做开发都只是调用不同的函数而已。为了让读者获得最好的学习体验，我为本书设计了一个实现简洁、完整的“实时” 操作系统——ClearRTOS，通过渐进式的方式细致地讲解操作系统的概念和实现原理。至于处理器方面的知识，本书没有针对某一具体处理器，而是就编程方面所需的通用知识进行了介绍。对这些通用知识的掌握，将使得处理器对于读者不再那么神秘。

学习嵌入式软件开发的另一大困难是实践问题，本书必须帮助读者解决这一问题。对于很多初学者来说，为了实践而购买一块开发板的学习成本偏高。值得欣喜的是，读者学习本书并不需要购买开发板，而只需要有一台安装于x86或x86-64（包括Intel 64 和AMD 64）处理器上的Windows或Linux操作系统的计算机，对于大多数读者来说这样的学习环境就在身边。另外，软件开发工程师有一个特点，对于自己能修改和调试的代码更具学习兴趣，通过这种方式学习的效果也更佳。本书的所有代码（包括ClearRTOS）都被设计成能在Cygwin环境 和Linux操作系统上编译、调试和运行，所以本书完全迎合工程师的这一学习偏好。总的说来，实践性强是本书很突出的一个特色。

掌握开发所需的工具是学习嵌入式软件开发的又一大挑战，本书在这方面也花费了大量笔墨。与非嵌入式软件开发采用集成开发环境不同，嵌入式软件开发大多是基于命令行的。软件开发工程师除了进行编码工作，还需要能驾驭自己的编译环境并运用其他的开发工具辅助开发工作。本书的工具篇以来自GNU的工具为例帮助读者战胜这一挑战。值得强调的是，其中花了很大的篇幅帮助读者成为Makefile方面的专家。

如果读者只想入门，那么掌握操作系统、处理器和必要的工具就足够了。但如果想获得突破，以实现高质高效地从事软件开发工作显然不够，还必须理解软件设计的重要性，并借助一定的质量保证方法论来提高工作质量和效率。软件设计和质量保证方法论是业内比较抽象和高级的话题，为此本书在设计篇和质量保证篇通过实践的方式逐步展开讲解，以帮助读者获得一些实用的设计原则、最佳实践和一套有效的质量保证方法论。

总而言之，本书从知识、工具、方法和思想这四大方面全面讲解如何专业地从事嵌入式软件开发，致力于帮助读者全面走向高质高效编程。

读者阅读本书之前，需要掌握C编程语言和基本的UML知识 。如果有使用Linux操作系统的基础经验，对学习本书也会有小小的帮助 。尽管本书是针对嵌入式领域的，但书中的很多思想和方法适用于整个软件行业。

本书结构

全书分为6大篇共33章，读者可以通过浏览书的目录以进一步了解各篇所涵盖的内容。

硬件篇就嵌入式软件开发所需掌握的处理器概念进行了介绍，并通过介绍电路信号的完整性问题告诉读者，嵌入式产品的质量不是软件质量单方面能保证的。

工具篇介绍了提高嵌入式软件开发效率所需掌握的工具。make作为嵌入式开发环境的全能管家，在本篇中花了较大的篇幅对其进行精辟的介绍。此外，gcc编译器、binutils工具集、ld链接器和gdb调试器都在本篇中涵盖了。对于工具的介绍是基于实用的角度展开的，而不是“大全”。

编程语言篇致力于让读者更深入地理解C编程语言。其中对程序的结构、ABI/EABI、volatile关键字进行了讲解，这几方面的知识在非嵌入式软件开发中并不需要深入了解，但在嵌入式软件开发中却是必须掌握的。本篇还通过分析一个因混淆指针和数组所导致的问题，指出开发活动中容易忽视的一个认识盲点，并提出了预防这类问题的终极方法。

设计篇解释了为什么设计是软件产品的质量之本，还介绍了作者常用的设计原则及所倡导的软件设计思想和一些最佳实践。设计思想包括：平台与框架开发、可查错性设计、可开发性设计；最佳实践则覆盖模块管理和错误管理。

操作系统篇通过循序渐进的方式介绍ClearRTOS的设计与实现，使得读者能透彻地理解操作系统的关键概念和实现原理。读者掌握这篇的内容，有助于轻松地在实时Linux、VxWorks、Windows CE等各种实时操作系统上从事软件开发工作。

质量保证篇关注于如何通过质量保证方法论来获得高质量的软件产品，也探讨了工程师的编程习惯对软件质量的影响。本篇中强调了单元测试这一被忽视的质量保证方法的价值，并通过设计实用的单元测试框架展示如何在项目中实施它。本篇中还展示了如何将代码覆盖、静态分析、动态分析和性能分析无缝地整合到开发环境中，以及阐述了“以单元测试为中心”和“要素有形化”质量保证方法论设计思想的具体含义。

致谢

本书是我的处女作，能与读者见面离不开很多人的支持和帮助。首先，感谢我的妻子和女儿。正是在妻子的提议下，我从写博客开始扬起了本书的写作之帆。女儿则是我的开心果，给我的写作之路带来了很多的乐趣，让我得到更多的放松机会。

感谢我的朋友及职业生涯中的上司和同事，正是他们给我机会，或鼓励，或帮助，让我一路积累，才有可能完成本书的创作。他们包括但不限于：庞惠民、章佳欢、刘伟民、夏青、于善成、范鹏、罗延庭。

感谢51CTO博客的同仁，他们的幕后支持让我坚持了下来。广大51CTO博友的期待也激励着我努力地写好本书。

感谢电子工业出版社的策划编辑张春雨，他的出现加速了本书的面市，也给我吃了一颗将书写到底的“定心丸”。与他交流写作方面的话题让我感受到了什么是隔行如隔山，他对出版行业的专家意见和追求满分的精神让本书增色不少。

最后，再一次感谢我的妻子和好友于善成，两位预读了本书并提出了自己的真知灼见，使得本书更简练、严谨和更具可读性。

附书光盘内容介绍

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书中如果出现错误，请先接受作者的致歉，如能来信告知那将不胜感激。错误一旦发现会通过我的博客第一时间通知其他读者。读者在学习中如需帮助，可以通过技术圈发帖讨论。

李 云

2011-07-04

目 录

硬 件 篇

第1章 处理器的基本概念 2

1.1 区分微处理器与微控制器 2

1.2 寄存器 2

1.3 处理器是如何启动的 4

1.4 输入与输出 4

1.5 指令与数据 5

1.6 中断 6

1.7 字节序 8

1.8 边界对齐 10

1.9 程序断点和数据断点 15

1.10 内存管理单元 16

1.11 缓存 17

1.12 小结 18

第2章 开发活动中的硬件问题 19

2.1 两个案例 19

2.2 案例的背后——信号完整性 19

2.3 应对方法 21

2.4 小结 21

工 具 篇

第3章 make，开发环境全能管家 24

3.1 从最简单的Makefile中了解规则 24

3.2 创建基本的编译环境 29

3.2.1 将规则运用于程序编译 30

3.2.2 让Makefile更专业 34

3.3 提高编译环境的实用性 48

3.3.1 让编译环境更加有序 48

3.3.2 提升依赖关系管理 51

3.4 打造更专业的编译环境 67

3.4.1 规划项目目录结构 68

3.4.2 增进复用性 72

3.4.3 支持头文件目录的指定 75

3.4.4 实现库链接 77

3.4.5 增强可使用性 82

3.4.6 管理对库的依赖关系 84

3.4.7 改善编译效率 87

3.4.8 恰当地书写注释 89

3.5 理解make的解析行为 90

3.6 Makefile的调试 91

3.7 make的常用选项 92

3.8 活用make 92

3.9 小结 94

第4章 gcc，C语言编译器 96

4.1 什么是交叉编译器 96

4.2 gcc幕后工作揭示 97

4.3 实用的gcc选项 99

4.3.1 解决宏错误的好帮手 99

4.3.2 辅助编写汇编程序的好方法 100

4.3.3 获取系统头文件路径 101

4.3.4 产生映射文件 102

4.3.5 通过选项定义宏 102

4.3.6 生成依赖关系 103

4.3.7 指定链接库 104

第5章 binutils工具集，软件开发利器 107

5.1 addr2line，指令地址翻译器 108

5.2 ar，静态库生成器 111

5.3 nm，符号显示器 113

5.4 objdump，信息查看器 115

5.5 objcopy，段剪辑器 119

5.6 ranlib，库索引生成器 120

5.7 size，段大小观察器 121

5.8 strings，字符串窥视器 122

5.9 strip，程序文件瘦身器 124

第6章 ld，链接器 125

6.1 重定位的概念 125

6.2 链接脚本 126

6.2.1 段 128

6.2.2 符号 129

6.2.3 存储区域 130

6.2.4 常用命令 131

6.3 常用选项 137

6.3.1 指定程序的入口点 137

6.3.2 生成可重定位的中间文件 137

6.3.3 指定链接脚本 138

练习与思考 138

第7章 gdb，程序调试助手 139

7.1 启动和退出gdb 139

7.2 获取帮助 140

7.3 调试程序 142

7.3.1 断点设置 142

7.3.2 控制程序运行 144

7.3.3 检查程序 147

7.3.4 提高调试效率 151

7.4 查看符号表 152

7.5 控制gdb的行为 153

编程语言篇

第8章 掌握必要的汇编知识 156

8.1 as的语法 156

8.1.1 宏 157

8.1.2 汇编命令 157

8.1.3 符号和标签 157

8.1.4 汇编指令 158

8.2 嵌入汇编的语法 158

第9章 深入理解程序的结构 161

9.1 段 161

9.1.1 指令段 161

9.1.2 数据段 162

9.2 栈 166

9.3 堆 168

9.4 小结 169

第10章 ABI/EABI规范，缔造程序兼容合约 170

10.1 定义基本数据类型 171

10.2 规范字节对齐处理 171

10.3 分配寄存器的功能 173

10.4 规定栈帧结构 174

10.4.1 栈帧的含义和作用 175

10.4.2 函数参数的传递方法 182

10.4.3 函数返回值的返回方法 184

10.5 小结 187

练习与思考 187

第11章 混淆指针与数组所导致的问题 188

11.1 问题示例 188

11.2 问题分析 189

11.2.1 数组的内存模型 189

11.2.2 指针的内存模型 190

11.3 问题成因 191

11.4 预防措施 193

11.5 小结 194

第12章 volatile，让我保持原样 195

设 计 篇

第13章 设计，软件质量之本 200

13.1 软件设计是什么 200

13.2 软件质量的概念 201

13.3 阻碍改善设计的常见观念 203

13.3.1 测试是替罪羊或救命稻草 203

13.3.2 资源永远不足 204

13.3.3 不改变就可以规避风险 204

13.4 如何提高设计能力 205

13.5 设计模式、设计原则和设计思想 206

13.6 放之四海皆适用的设计原则 207

13.6.1 以人为本 207

13.6.2 追求简单性 210

13.6.3 让模块善始善终 211

13.6.4 重视收集统计信息 212

13.6.5 借助命名传达设计意图 213

13.6.6 消除“审美告警” 215

13.6.7 通过机制解决问题 215

13.6.8 防止他人犯错 218

13.6.9 考虑可查错性 220

13.7 小结 221

第14章 模块管理，保障系统有序运行 222

14.1 管理参照系 222

14.2 设计思路 224

14.3 程序实现 226

14.3.1 引入模块标识 226

14.3.2 实现层与级的表达 226

14.3.3 系统状态和回调函数原型定义 228

14.3.4 模块注册 228

14.3.5 系统启动 230

14.3.6 系统关闭 232

14.4 module示例程序 233

14.5 模块管理的一些思考 235

14.6 小结 235

练习与思考 235

第15章 错误管理，不可或缺的用户需求 236

15.1 表达错误的通用方法 236

15.1.1 错误码格式 237

15.1.2 定义方法 238

15.1.3 使用示例 239

15.1.4 提高可使用性 240

15.1.5 定义和使用错误码的准则 246

15.2 优化错误日志的输出 246

15.2.1 传统方法 246

15.2.2 更有效的方法 249

15.3 平台和框架层的错误处理 251

15.4 小结 251

第16章 目录结构管理，使项目进展更顺利 252

16.1 规划目录结构的意义 252

16.1.1 书架功能 252

16.1.2 意识引导 252

16.1.3 加速新手上手 253

16.2 出色目录结构的特点 253

16.3 一个示例 253

16.4 小结 254

第17章 平台与框架开发，高质量软件打造之路 255

17.1 区分系统库、平台和框架 255

17.1.1 系统库 255

17.1.2 平台 256

17.1.3 框架 256

17.2 本质和优点 257

17.3 确立架构模型 258

17.4 小结 259

第18章 可开发性设计，一种高效且经济的开发模式 260

18.1 可开发性问题一瞥 260

18.2 可开发性设计的内涵 261

18.3 引入设备抽象层 261

18.4 更复杂的设备抽象层 263

18.5 图形界面的可开发性设计 264

18.5.1 增强设备抽象层 264

18.5.2 提供可视化编辑环境 264

18.6 其他可开发性设计 264

18.7 小结 265

操作系统篇

第19章 引导加载器，系统启航者 268

19.1 功能 268

19.2 文件存储布局 269

19.3 程序加载原理 270

19.4 优点 274

19.5 小结 274

练习与思考 275

第20章 任务，软件基本调度单元 276

20.1 任务情景 278

20.1.1 情景内容 278

20.1.2 情景保存 279

20.1.3 情景恢复 281

20.1.4 情景切换 282

20.2 任务调度 286

20.2.1 调度算法 286

20.2.2 调度器 290

20.3 任务的生命周期 293

20.4 任务控制 295

20.4.1 任务创建 297

20.4.2 任务启动 306

20.4.3 任务删除 307

20.4.4 任务挂起 309

20.4.5 任务恢复 310

20.4.6 任务睡眠 311

20.5 竞争问题与中断控制 313

20.5.1 竞争问题的产生 314

20.5.2 通过中断控制解决竞争问题 315

20.5.3 中断控制的嵌套问题 316

20.6 任务与中断状态 317

20.7 任务栈溢出检测 318

20.8 滴答与空闲任务 320

20.9 多任务环境控制 323

20.10 任务模块管理 324

20.11 taskv1示例程序 326

20.12 任务钩子函数 330

20.13 任务变量 334

20.13.1 taskv2示例程序 334

20.13.2 原理 336

20.13.3 实现 337

20.14 其他概念与思考 340

20.14.1 抢占式任务与实时系统的关系 340

20.14.2 影响任务切换效率的因素 341

20.14.3 避免直接删除任务 341

20.14.4 小心多任务设计被滥用 342

20.15 小结 343

练习与思考 343

第21章 任务同步与通信，实现协同工作 345

21.1 信号量 345

21.1.1 应用场合 345

21.1.2 程序实现 347

21.1.3 semaphore示例程序 358

21.2 互斥锁 360

21.2.1 应用场合 361

21.2.2 程序实现 361

21.2.3 mutex示例程序 365

21.2.4 优先级反转与继承 367

21.2.5 递归锁 375

21.3 事件 379

21.3.1 应用场合 379

21.3.2 程序实现 379

21.3.3 event示例程序 384

21.4 消息队列 386

21.4.1 应用场合 386

21.4.2 程序实现 387

21.4.3 实现消息队列 390

21.4.4 queue示例程序 396

21.4.5 使用指南 398

21.5 死锁及预防 399

21.6 小结 399

练习与思考 400

第22章 内存管理，协调动态内存的使用 401

22.1 堆管理 401

22.1.1 heapv1示例程序 401

22.1.2 程序实现 406

22.1.3 设计改进 416

22.1.4 支持内存泄漏检测 421

22.1.5 实现内存溢出检测 431

22.1.6 内存碎片问题 431

22.2 内存池管理 432

22.2.1 mpool示例程序 432

22.2.2 程序实现 436

22.2.3 缓冲区泄漏检测 444

22.3 小结 444

练习与思考 444

第23章 设备管理，方便与外设交互 445

23.1 字符设备管理 445

23.2 中断管理 447

23.2.1 中断向量表 447

23.2.2 中断控制 448

23.2.3 中断状态管理 450

23.2.4 设备与中断 451

23.2.5 模块管理 451

23.3 实现设备管理 452

23.3.1 安装驱动程序 454

23.3.2 注册设备 455

23.3.3 打开设备 456

23.3.4 关闭设备 458

23.3.5 设备读写与控制 458

23.4 设备驱动程序实现 459

23.4.1 “滴答”设备 460

23.4.2 控制台设备 462

23.4.3 终止程序运行设备 464

23.5 驱动安装与设备注册 466

23.6 小结 468

练习与思考 468

第24章 定时器，程序闹钟 469

24.1 软件定时器分类 469

24.2 设计思路 469

24.3 中断回调定时器 470

24.3.1 程序实现 470

24.3.2 timerv1示例程序 481

24.4 定时误差 484

24.5 提高遍历效率 484

24.6 改善实时性 489

24.6.1 实时性分析 490

24.6.2 改进实时性 491

24.7 任务回调定时器 494

24.7.1 程序实现 494

24.7.2 timerv3示例程序 497

24.8 小结 498

练习与思考 498

第25章 ClearRTOS“实时”操作系统 499

25.1 设计原则 499

25.2 源程序目录管理 499

25.3 让Makefile体现概念 502

25.4 实现集中配置 503

25.5 改进与移植 504

质量保证篇

第26章 质量保证导言 508

26.1 软件开发的特点 508

26.1.1 脑力密集型工作 508

26.1.2 实现不具唯一性 508

26.1.3 隐性成本高 509

26.1.4 忽视的细节很容易被放大 509

26.1.5 质量难以评估 509

26.2 保证质量的关键要素 509

26.2.1 完备的需求分析 510

26.2.2 高质量的设计 510

26.2.3 编程好习惯 510

26.2.4 充分的验证 510

26.2.5 必要的流程 511

26.2.6 合适的工具 512

26.2.7 言简意赅的文档 512

26.3 质量保证需要系统性的方法论 512

26.3.1 方法论 = 流程 + 工具 513

26.3.2 构建有效方法论的核心手段 516

26.4 走出质量困境的指导性思想 518

26.4.1 从管理者的角度 518

26.4.2 从工程师的角度 519

26.4.3 从组织的角度 519

26.5 小结 520

第27章 编程好习惯，质量保证的基本条件 521

27.1 终生受用的编程好习惯 521

27.1.1 判断失败而非成功 521

27.1.2 采用sizeof减少内存操作失误 522

27.1.3 屏蔽编程语言特性 524

27.1.4 恰当使用goto语句 527

27.1.5 合理运用数组 529

27.1.6 以逆序方式释放资源 530

27.1.7 在模块对外接口中防范错误 531

27.1.8 避免出现魔数 532

27.1.9 利用编程语言特性提高效率 533

27.1.10 复用代码提高维护性 534

27.1.11 借助隐式初始化简化程序逻辑 536

27.1.12 青睐小粒度锁 538

27.1.13 精确包含头文件 539

27.1.14 让模块的对外头文件保持简洁 541

27.1.15 只暴露必要的变量和函数 542

27.1.16 清除编译器报告的所有警告 542

27.2 小结 543

第28章 单元测试，被忽视的质量保证方法 544

28.1 警惕单元测试无用论 544

28.2 一个简单但不完善的单元测试例子 545

28.3 构建单元测试框架 548

28.4 无缝整合单元测试 555

28.4.1 维护规则 557

28.4.2 目录规划 557

28.4.3 更改Makefile 559

28.4.4 检查整合效果 566

28.5 几个实施问题 569

28.6 桩函数和打桩 570

28.7 错误注入，一种可测试性设计 571

28.8 平台开发与单元测试 576

28.9 被测行为的确定性 576

28.10 测试用例的有效性 577

28.11 小结 578

第29章 代码覆盖，单元测试效果的衡量指标 579

29.1 了解代码覆盖工具 580

29.2 无缝整合代码覆盖 584

29.2.1 更改Makefile 584

29.2.2 检查整合效果 586

29.3 三个代码覆盖程度指标 587

29.4 小结 588

第30章 静态分析，防止将失误带给用户 589

30.1 认识静态分析工具 589

30.2 无缝整合静态分析 596

30.2.1 更改Makefile 596

30.2.2 检查整合效果 601

30.3 小结 602

第31章 动态分析，使程序更健壮 603

31.1 结识动态分析工具 604

31.2 无缝整合动态分析 607

31.2.1 更改Makefile 607

31.2.2 检查整合效果 609

31.3 小结 609

第32章 性能分析，让优化程序有的放矢 610

32.1 初探性能分析工具 610

32.2 无缝整合性能分析 612

32.2.1 更改Makefile 613

32.2.2 检查整合效果 614

32.3 小结 615

第33章 qBench，一个开发高质软件的工作台 616

参考资料 618