标题：专业嵌入式软件开发——全面走向高质高效编程
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