前言
篇 核心篇
第1章 麻雀雖小，五髒俱全——什麼是嵌入式繫統2
1.1 嵌入式繫統架構3
1.2 MCU架構4
1.3 內核架構7
第2章 大腦是人類與動物的主要區別所在——單片機架構9
2.1 計算機的發展9
2.2 單片機隻能理解二進制“語言”11
2.3 輸入/輸出設備12
2.4 什麼是總線13
2.5 數字電路大廈的磚塊——鎖存器15
第3章 像形文字的出現——彙編語言18
3.1 為何要了解彙編語言18
3.2 寄存器介紹18
3.3 什麼是棧19
3.4 與棧的使用相關的四大原則22
3.5 其他內核寄存器23
3.6 常用彙編指令25
第4章 五髒六腑——單片機外圍26
4.1 時鐘——單片機的心髒26
4.2 標配外圍1——Timer27
4.3 標配外圍2——I2C總線接口29
4.4 標配外圍3——UART/USART接口32
4.5 標配外圍4——SPI33
4.6 標配外圍5——DMA控制器36
4.7 標配外圍6——GPIO37
4.8 擴展外圍1——I2S控制器38
4.9 擴展外圍2——USB控制器40
4.10 擴展外圍3——以太網控制器42
4.11 擴展外圍4——CAN控制器43
第5章 單片機開發環境44
5.1 開發環境安裝44
5.2 認識學習板50
5.3 下載和調試53
第6章 大腦怎麼思考——單片機如何運行57
6.1 從分析編譯錯誤開始57
6.2 從彙編文件中探索59
第7章 現代語言的產生—— C語言70
7.1 解決編譯錯誤71
7.2 復習一下C語言77
7.3 指針、結構體和鏈表80
第8章 Hello, World！95
8.1 單片機怎麼實現printf()95
8.2 串口的使用97
第9章 中斷99
9.1 中斷是事件驅動的核心99
9.2 異常和中斷99
9.3 按鍵中斷102
目 錄嵌入式繫統實戰指南：面向IoT應用第10章 I2C總線實驗107
10.1 看一下原理圖107
10.2 看一下數據手冊108
10.3 準備一個新的工程112
10.4 開始工作115
第11章 其他總線實驗131
11.1 SPIM之分散加載實驗131
11.2 SPI總線實驗137
11.3 USB總線實驗144
第12章 DAC原理和實踐154
12.1 DAC原理154
12.2 DAC實驗155
第13章 ADC原理和實踐162
13.1 逐次逼近型ADC原理163
13.2 ADC實驗164
第14章 什麼是傅裡葉變換170
14.1 復變函數170
14.2 傅裡葉級數171
14.3 傅裡葉變換173
14.4 快速傅裡葉變換175
第15章 傅裡葉變換的C語言實現180
15.1 程序解析181
15.2 測試和分析188
第16章 印制電路板設計（PCB Layout）193
16.1 硬件設計從熟悉器件開始194
16.2 開始畫板子196
第二篇 RTOS（實時操作繫統）
第17章 人類喫了智慧果後做的件事是用樹葉做了件衣服——RTOS原理241
17.1 RTOS的發展241
17.2 RTOS的基本原理242
第18章 巧婦難為無米之炊——RT-Thread環境搭建245
18.1 工具軟件準備245
18.2 編譯工程251
18.3 調試工程253
第19章 障眼法——RTOS如何實現分身術256
19.1 線程調度256
19.2 創建用戶線程261
第20章 三頭六臂——一起做幾個多線程的例程264
20.1 創建三個線程264
20.2 如何觀察線程調度情況267
第21章 團結就是力量——線程之間的同步和通信270
21.1 線程同步270
21.2 線程通信274
第22章 開始燒腦——RTOS實踐案例278
22.1 互斥量測試279
22.2 消息隊列和郵箱測試283
第23章 節約是美德——內存管理288
23.1 內存堆管理289
23.2 內存池管理292
23.3 內存堆與內存池的區別293
23.4 動態內存分配實踐293
第24章 家中有糧，心裡不慌——中斷管理296
24.1 運行模式和棧296
24.2 RTT中斷處理過程297
24.3 RTT按鍵中斷處理實例299
第25章 乾坤大挪移——內核移植304
25.1 線程調度的原理304
25.2 移植相關內容306
第26章 工欲善其事，必先利其器——Env輔助開發環境和FinSH控制臺320
26.1 獲取和配置320
26.2 使用和理解FinSH324
第27章 個人的一小步，人類的一大步——I/O設備管理330
27.1 I/O設備管理框架330
27.2 串口設備的管理332
27.3 GPIO的管理341
27.4 SPI設備管理344
27.5 I2C設備管理350
27.6 硬件Timer的使用353
第28章 一人之下，萬人之上——虛擬文件繫統356
28.1 RTT文件繫統介紹356
28.2 文件繫統的掛載357
28.3 格式化359
28.4 實驗361
第29章 萬物互聯——網絡框架367
29.1 RTT網絡框架367
29.2 網絡套接字371
29.3 套接字編程實例375
第三篇 BLE（低功耗藍牙）
第30章 藍牙初探380
30.1 藍牙技術聯盟381
30.2 歷史版本382
30.3 歷史版本更新383
30.4 常用無線協議比較394
第31章 BLE協議棧初探398
31.1 定義398
31.2 作用398
31.3 傳播媒介399
31.4 傳輸單位399
31.5 結構399
第32章 物理層（Physical Layer，PHY）403
32.1 PHY403
32.2 頻段（Band）403
32.3 頻道（Channel）404
32.4 射頻公差（Radio Frequency Tolerance）404
32.5 發射功率（Transmission Power）404
32.6 接收靈敏度（Receive Sensitivity）405
第33章 直接測試模式（Direct Test Mode，DTM）406
33.1 重要性406
33.2 使用方法411
33.3 測試項目412
33.4 實際問題413
第34章 鏈路層（Link Layer，LL）415
34.1 BLE設備地址（Device Address）415
34.2 物理頻道（Physical Channel）417
34.3 狀態（State）419
34.4 空中接口包（Air Interface Packet）格式420
34.5 Advertising Physical Channel PDU423
34.6 廣播事件（Advertising Event）429
34.7 建立連接（Connection Setup）435
34.8 Data Physical Channel PDU437
34.9 連接事件（Connection Event）440
34.10 連接參數（Connection Parameter）441
第35章 主機控制器接口（Host Controller Interface，HCI）447
第36章 邏輯鏈路控制與適配協議（Logical Link Control and Adaptation Protocol，
L2CAP）449
第37章 通用屬性配置（Generic Attribute Profile，GATT）與屬性協議
（Attribute Protocol，ATT）451
37.1 Server與Client451
37.2 配置文件（Profile）與屬性（Attribute）452
第38章 安全管理（Security Manager，SM）463
38.1 被動竊聽與主動竊聽463
38.2 密鑰（Key）與編碼（Encryption）464
38.3 配對（Pairing）465
第39章 通用訪問配置（Generic Access Profile，GAP）475
39.1 角色（Role）476
39.2 設備地址（Device Address）與設備名稱（Device Name）477
39.3 廣播數據包格式477
39.4 發現模式與程序（Discovery Modes and Procedures）477
39.5 安全模式（Security Mode）478
第40章 BLE編程實例479
40.1 設備繫統架構479
40.2 硬件480
40.3 軟件480
40.4 準備工作480
40.5 編程實例484
40.6 習題500

前 言
為什麼要寫這本書新入職的應屆生往往很難快速融入嵌入式繫統的研發工作，甚至對嵌入式繫統的概念都模糊不清。反觀自己20年的嵌入式繫統研發經歷，也曾有過一段漫長的適應期，而且還走過不少彎路。所以，筆者初的寫作目的就是給新入職的應屆生提供一份面向實際工作、低門檻、繫統性的內部培訓資料。在後來的培訓實踐中，這份資料獲得了不錯的效果，受到廣泛好評，於是筆者決定將其整理成書。本書特點首先，本書面向實際工作，非常強調實用性。本書充分結合實際工作場景，綜合了很多項目實踐中容易遇到的問題，目標是培養嵌入式繫統研發工程師，因此包含硬件、軟件等方面的實用內容，可稱之為“軟硬不分家”。其次，本書由淺入深，注重讀者需求和閱讀體驗，並力求使用幽默、通俗的語言來進行講解，通過類比等方法讓讀者更快地理解理論知識，輕松學習相關技能。本書內容本書分為三篇，三篇內容相互獨立，又層層遞進。篇是核心篇，針對基礎的嵌入式繫統概念和運行原理等進行闡述，包括單片機架構、彙編語言、單片機外圍、單片機開發環境、單片機如何運行、C語言、印制電路板設計等內容；第二篇是RTOS（實時操作繫統），講解了RTOS的原理及使用方法，包括RTOS原理、RT-Thread環境搭建、線程、內存管理、中斷管理、Env輔助開發環境、網絡框架等內容；第三篇是BLE（低功耗藍牙），選取了的BLE來闡述其原理和使用方法，包括BLE版本情況、BLE協議棧、物理層、直接測試模式、邏輯鏈路控制與適配協議、通用屬性配置與屬性協議、安全管理、通用訪問配置等內容。本書立足實用性，因此還有大量的配套資料和例程可供學習。讀者對像本書主要面向有一定專業背景（如單片機、C語言基礎等），但缺乏工作經驗的在校學生以及新入職的嵌入式繫統研發相關人員，幫助他們繫統性地梳理嵌入式繫統的基礎知識，快速和實際工作接軌。相關專業包括自動控制、通信、應用電子、機電一體化等。如果讀者毫無經驗，可以按順序閱讀，但對於有一些經驗的讀者，可以挑選自己感興趣的篇章進行閱讀。致謝感謝上海麥士和予芯科技給予的充分信任和支持，讓筆者能將工作、學習所得整理成書；感謝雅特力科技（重慶）有限公司、RT-Thread以及上海巨微集成電路有限公司在技術層面給予的大力支持，讓本書更具實用性；還要感謝在本書編寫過程中給予建議和幫助的同事祁卿麟、李通越、戴一村等。