FreeRTOS源码详解与应用开发—基于STM32 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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左忠凯，刘军，张洋 著

图书标签:

• FreeRTOS
• STM32
• 嵌入式
• 实时操作系统
• 源码分析
• 应用开发
• 嵌入式系统
• ARM
• 单片机
• 开发指南

出版社： 北京航空航天大学出版社

ISBN：9787512423954

版次：1

商品编码：12121539

包装：平装

开本：16开

出版时间：2017-07-01

用纸：胶版纸

内容简介

　　FreeRTOS源码详解与应用开发—基于STM32

　　本书辅以大量的例程,全面讲解了Fr e eRTOS的原理以及源码,主要内容包括任务管理和任 务调度、系统裁减和配置、时间管理、队列、信号量、软件定时器、事件标志组、任务通知、低功耗 Ti ck l e s s模式、空闲任务以及内存管理等。同时,本书配有大量的图例,对于想要深入学习RTOS 类系统原理的人来说是一个不错的选择。 本书配套资料包括视频教程、文档教程、各个例程的源码及相关参考资料,所有资料均可在开 源电子网(网址为www. openedv. c om)免费下载。 本书适合那些想要学习Fr e eRTOS的初学者,也可作为高等院校计算机、电子技术、自动化、 嵌入式等相关专业的教材。

前言/序言

　　背景知识 近年来微处理器的性能呈爆炸式增长,尤其是在ARM公司发布了Co r t ex M 内核以后,全球很多大型半导体厂商都推出了基于Co r t ex M内核的MCU。以ST (意法半导体)为例,先后推出了STM32F1、 STM32F4、 STM32F7和最近刚推出的 STM32H7,其性能已经远超曾经的ARM7,甚至已经超过了大多数的ARM9处理 器。强大的性能意味着复杂的功能、复杂的应用,随着应用中所需功能的增多,裸机 开发越来越吃力,应用中各功能模块的管理遇到了前所未有的挑战。这时候,一个科 学的、合理的模块化管理方法显得尤为重要,而这个正是操作系统的基本功能,即任 务管理。 提起操作系统,大多数人的第一反应应该是 Wi ndows、 L i nux、And r o i d和IOS 等这些常用的大型操作系统。很不幸的是,对于Co r t ex M这种级别的MCU来讲, 这些系统一个都用不了,它们有自己专用的操作系统,叫RTOS类操作系统。RTOS 是Re a lTimeOpe r a t i ngSys t em的缩写,也就是实时操作系统。RTOS类操作系统 有很多,如μC/OSI I / I I I、 RTX、 RT Thr e ad、 Fr e eRTOS等。那为何本书选择Fr e eRTOS呢? 最主要的原因就是Fr e eRTOS免费,而且全球占有量很大,很多第三方 组件厂商都选择Fr e eRTOS作为默认操作系统,比如STM32官方库、 TouchGFX图 形界面、各种 Wi F i和蓝牙的协议栈等,因此本书选择了Fr e eRTOS。系统的运行需 要一个平台,本书选取ALIENTEK推出的STM32F429阿波罗开发板,本书所涉及 的例程都是基于此款开发板编写的;如果读者使用其他类型的开发板,则只需要对例 程稍做修改即可。 本书特点 ? 由简入深,从最基本的API函数使用方法讲起,让读者对于Fr e eRTOS先有 一个基本的概念,后续章节再对Fr e eRTOS的各功能模块进行详细讲解。 ? 对Fr e eRTOS中重要的功能模块,比如信号量、队列、列表和列表项等,进行 了源码级的剖析,对其中重要的API函数源码做了详细分析。 ? 针对Fr e eRTOS的移植过程,笔者每操作一步都记录下来编写进本书,尽可 能保证移植过程合理、无误,尽量确保读者通过参考本书的移植过程可以将Fr e eRTOS移植到任何Fr e eRTOS所支持的MCU上。 ? 对于本书中晦涩难懂的原理性知识,我们都会配有相应的图形,采用图文结 合的方式加深对原理的理解。所有图形都采用Vi s i o软件进行绘制,保证图 形质量,图形配色合理、大气。 ? 操作系统是运行在处理器上的,因此,肯定会涉及处理器架构方面的知识,本 书中涉及的地方都会标记出可以参考的书籍以及章节,方便想要深入了解的 读者去阅读参考。 ? 基本上每章都有相应的练习和使用例程,通过理论加实践的方式来加强对 Fr e eRTOS操作系统的掌握。 ? 考虑到不同读者的C语言使用水平不同,本书涉及的例程中都没有使用复杂 的C语言语法,基本都是最常用的语法。 使用对象 ? 使用Fr e eROTS操作系统的研发人员,或者毕业设计等需要使用Fr e eRTOS 的学生。 ? 对Fr e eRTOS感兴趣、想要深入了解其运行原理的爱好者。 ? 学习过其他RTOS类操作系统、想要再掌握一种RTOS类操作系统的爱 好者。 软硬件平台 使用Fr e eRTOS肯定避免不了编写、编译程序,程序编译完成以后肯定也需要 下载到硬件上去运行。编写程序的IDE和运行程序的硬件平台有很多种,本书使用 的软硬件平台如下: 硬件平台: ALIENTEK推出的STM32F429阿波罗开发板。拥有这款开发板的 读者可以直接下载本书中的所有例程,无须做任何修改。ALIENTEK有多款 STM32开发板,包括STM32F103、 STM32F407、 STM32F429和STM32F767,本书 所有例程都有这些开发板的对应版本,拥有这些开发板的读者可以直接下载对应的 例程。使用其他开发板的读者也不用着急,本书例程操作的都是STM32最基本的 外设,比如串口、定时器、 I /O等,只须稍做修改就可以将例程在自己的开发板上运行 起来。 IDE开发工具: Ke i l公司的MDK5. 22。 Fr e eRTOS版本: V9. 0. 0版本的Fr e eRTOS。 STM32库: ST最新推出的HAL库,版本为V1. 4. 2。 参考资料 本书编写过程中参考过很多资料,但是最有用的就只有那几份文档和书籍,首推 的就是Fr e eRTOS官方的两份文档:《 Fr e eRTOS_Re f e r enc e_Manua l_V9. 0. 0》和《Ma s t e r i ng_t he _Fr e eRTOS_Re a l _Time _Ke rne l A_Hands On_Tu t o r i a l _Gu i de》, 读者可以在Fr e eRTOS官网下载。另外,涉及Co r t ex M内核的时候推荐读者参考《 ARMCo r t ex M3与Co r t ex M4权威指南(第3版)》,此书对Co r t ex M3/M4内 核做了详细讲解。本书重点讲解Fr e eROTS的原理和使用,不会对STM32的使用 做过多讲解,这方面的资料可以参考ALIENTEK推出的精通STM32F4系列丛书 和ST官方的参考手册、数据手册等。 配套资料 本书配套资料包括视频教程、文档教程、各个例程的源码及相关参考资料,所有 资料均可在开源电子网免费下载,网址为www. openedv. c om。 感 谢 本书获得了ALIENTEK公司的大力支持,它为本书的编写提供了很多便利条 件,并且给予了大量的建议。衷心感谢刘军、张洋、刘勇财、周莉、刘海涛、李振勇、黄 树乾、吴振阳、彭立峰、罗建等人的审稿,感谢开源电子网广大网友对本书提出的 建议。 由于编者水平有限,加之时间仓促,难免会有错误和不足之处,希望广大读者能 够提出宝贵意见。如果发现有错误的地方可以发邮件到邮箱: zuo zhaongka i@ ou t l ook. c om,或者在论坛ww. openedv. com上留言。

　　左忠凯 2017年5月

《嵌入式实时操作系统设计与实践》 内容简介： 本书是一部深入探讨嵌入式实时操作系统（RTOS）核心原理、设计哲学以及在实际应用开发中落地实践的专业著作。作者以其深厚的理论功底和丰富的实践经验，为读者构建了一个全面而详实的RTOS知识体系，旨在帮助读者不仅理解RTOS的“是什么”，更能掌握RTOS的“为什么”和“如何做”。 第一部分：实时操作系统基础理论与核心概念 本部分将从最基础的层面出发，逐步深入地剖析实时操作系统的核心概念和运作机制。 何为实时操作系统？ 我们将清晰地界定实时操作系统的定义，阐述其与通用操作系统的关键区别，重点突出“实时性”在嵌入式系统中的不可或缺性。 实时性并非简单的高速，而是指系统对外部事件的响应能够在规定的时间限制内完成。我们将深入探讨硬实时与软实时的概念差异，以及它们在不同应用场景下的适用性。 分析实时操作系统在现代嵌入式设备中的核心作用，例如在工业自动化、航空航天、医疗设备、汽车电子等对可靠性和及时性要求极高的领域。 进程与线程管理 进程的概念与生命周期： 详细讲解进程的定义、组成（PCB）、创建、就绪、运行、阻塞、终止等各个状态及其转换过程。 线程的概念与优势： 引入线程作为比进程更轻量级的执行单元，分析多线程带来的并发执行、资源共享效率提升以及上下文切换开销的降低。 多任务调度： 这是RTOS的灵魂所在。我们将全面介绍各种经典的调度算法，包括： 固定优先级调度： 详细讲解抢占式和非抢占式固定优先级调度的工作原理、优缺点以及适用场景。 动态优先级调度： 探讨具有动态调整能力的调度算法，如Rate Monotonic (RM)和Earliest Deadline First (EDF)，分析其理论基础和在复杂系统中的应用。 时间片轮转调度： 讲解时间片的概念、调度过程以及在需要公平性场景下的应用。 其他调度策略： 简要介绍混合调度、协同调度等更高级的调度方式。 上下文切换： 深入解析CPU上下文切换的细节，包括寄存器保存、程序计数器更新、栈指针切换等，以及其对系统性能的影响。 进程间通信（IPC）与同步机制 IPC的必要性： 解释在多任务环境下，进程或线程之间需要进行数据交换和协调的原因。 消息队列： 讲解消息队列的原理、数据传递方式、阻塞/非阻塞操作，以及在生产者-消费者模型中的应用。 信号量： 详细阐述信号量的概念（计数信号量、互斥信号量）、P/V操作（wait/signal）在资源互斥访问和同步控制中的作用。 互斥锁（Mutex）： 区分互斥锁与信号量的异同，重点讲解互斥锁在保护共享资源时的独占性，以及优先级反转等潜在问题。 事件标志组（Event Flags）： 介绍事件标志组如何用于任务间的异步事件通知和同步，允许任务等待一个或多个事件的发生。 管道（Pipes）与共享内存： 探讨更高效的IPC机制，分析其实现原理和适用场景，以及在数据传输效率上的优势。 内存管理 嵌入式内存特点： 分析嵌入式系统内存资源的有限性、多样性（RAM, Flash）以及对内存管理提出的挑战。 静态内存分配： 讲解全局变量、静态变量的分配方式，及其在运行时不需要额外管理。 动态内存分配： 详细介绍 `malloc` / `free` 等标准的C语言内存分配函数，以及其在RTOS中的潜在问题（碎片化、堆栈溢出）。 内存池（Memory Pool）： 深入讲解固定大小内存池的设计原理，如何通过预先分配固定大小的内存块来提高分配效率并减少碎片。 可变大小内存分配器： 探讨RTOS提供的更灵活的动态内存管理方案，以及其内部数据结构和管理策略。 中断与异常处理 中断的概念与分类： 详细阐述中断的定义、产生原因（外部中断、内部中断）、中断向量表的作用。 中断服务例程（ISR）的编写原则： 强调ISR的快速响应、简洁性，避免在ISR中进行耗时操作，以及如何安全地与任务进行交互。 中断与任务的交互： 介绍如何利用信号量、事件标志组等机制，让ISR通知等待的任务，实现中断事件与任务处理的解耦。 异常处理： 讲解CPU在执行过程中可能遇到的异常情况（如非法指令、访问越界），以及操作系统如何捕获和处理这些异常，保证系统的稳定性。 第二部分：实时操作系统设计与源码剖析 本部分将跳出对通用RTOS理论的描述，转而深入分析一个典型的、具有代表性的RTOS的内部设计细节和源码实现。读者将通过对具体源码的解读，理解抽象概念如何在代码层面落地。 RTOS核心架构设计 内核组织结构： 介绍RTOS的模块化设计，如调度器、IPC模块、内存管理模块、时钟管理模块等。 关键数据结构： 剖析RTOS中至关重要的数据结构，如就绪列表（Ready List）、任务控制块（TCB, Task Control Block）、链表等，理解它们如何支持RTOS的各项功能。 系统调用接口： 分析RTOS提供的API设计原则，如何通过系统调用实现用户模式与内核模式的转换。 调度器源码深度解析 就绪列表的维护： 详细讲解就绪列表如何根据任务优先级进行组织和管理。 任务切换的实现： 深入分析任务上下文保存与恢复的汇编代码实现细节，理解TCB在切换过程中的作用。 调度算法的具体代码： 以某种主流调度算法为例（如优先级抢占式调度），逐行解读其算法逻辑在代码中的体现，包括如何选择下一个运行任务，以及在任务状态改变时如何更新就绪列表。 IPC与同步机制的源码实现 消息队列源码： 分析消息队列的缓冲区管理、消息的发送与接收逻辑，以及相关的阻塞与唤醒机制。 信号量与互斥锁源码： 剖析信号量和互斥锁的内部计数、等待队列的管理，以及P/V操作（wait/signal）的具体实现，包括如何处理任务阻塞和唤醒。 事件标志组源码： 演示事件标志组如何通过位操作实现事件的设置和等待，以及多任务等待同一组事件的处理逻辑。 内存管理模块源码 动态内存分配器源码： 详细解读内存池的初始化、内存块的分配与释放过程，理解其内部空闲链表或位图的管理。 内存碎片管理策略： 分析RTOS如何应对内存碎片问题，例如通过合并相邻空闲块等方式。 时钟与定时器管理 系统滴答（System Tick）： 讲解系统滴答的作用，如何作为RTOS的心跳，驱动时间相关的事件。 定时器源码： 分析软件定时器的实现原理，如何基于系统滴答和链表实现周期性或单次触发的定时任务。 延时函数的实现： 讲解 `delay()` 等延时函数的内部机制，以及它们如何与调度器协同工作。 第三部分：RTOS在嵌入式系统中的应用开发 本部分将理论与实践相结合，引导读者将RTOS的知识应用于实际的嵌入式项目开发。 项目初始化与RTOS启动流程 硬件平台初始化： 讲解在嵌入式项目启动时，需要进行的必要硬件初始化工作，如时钟配置、GPIO设置、外设初始化等。 RTOS内核初始化： 演示如何调用RTOS提供的API来初始化内核，创建第一个任务（通常是主任务）。 任务创建与管理： 详细讲解如何在应用程序中创建、挂起、恢复和删除任务，并合理分配任务优先级。 构建模块化与可维护的嵌入式软件 任务划分策略： 讨论如何根据功能模块和实时性要求，将复杂的嵌入式系统分解为多个独立的任务。 模块间通信与协调： 强调在多任务系统中，如何利用IPC机制来实现任务间的有效通信和同步，避免全局变量的滥用。 错误处理与异常恢复： 探讨在嵌入式系统中如何设计 robust 的错误处理机制，提高系统的可靠性。 驱动程序开发与RTOS集成 通用驱动程序框架： 介绍嵌入式驱动程序的设计模式，如何将硬件操作封装成标准的API。 中断驱动的驱动程序： 演示如何设计中断驱动的驱动程序，实现高效的外设数据处理。 RTOS下的驱动程序： 分析在RTOS环境下，驱动程序需要考虑的线程安全、资源共享以及与RTOS核心的协同工作。 常见嵌入式应用场景开发实践 通信协议栈的实现： 以TCP/IP、MQTT等通信协议栈为例，讲解如何在RTOS环境中进行移植和应用开发。 传感器数据采集与处理： 演示如何利用RTOS的多任务能力，并行采集多路传感器数据，并进行实时分析和处理。 GUI应用开发： 探讨如何在资源受限的嵌入式设备上，集成图形用户界面库，并与RTOS协同工作。 设备状态监控与控制： 讲解如何利用RTOS的定时器和任务机制，实现设备的周期性状态检测和远程控制。 RTOS性能优化与调试技巧 性能瓶颈分析： 介绍常用的性能分析工具和方法，如CPU使用率、内存占用率、任务响应时间等。 内存优化： 探讨如何通过合理的内存分配策略、减少内存拷贝等方式来优化内存使用。 功耗优化： 讲解如何利用RTOS的低功耗模式和调度策略来降低设备的功耗。 RTOS调试工具： 介绍RTOS提供的各种调试工具，如实时分析器、日志系统、断点调试等，以及如何利用它们来快速定位和解决问题。 栈溢出检测与处理： 讲解栈溢出的危害以及如何在RTOS中进行检测和预防。 第四部分：高级主题与未来展望 实时操作系统与Linux的对比与融合 分析RTOS与Linux在设计理念、应用场景上的差异。 探讨实时Linux（如PREEMPT_RT补丁）的原理和优势。 介绍如何将RTOS与Linux结合，实现高性能、高可靠性的嵌入式系统。 面向对象设计在RTOS中的应用 探讨如何将面向对象的设计思想应用于RTOS应用开发，提高代码的可复用性和可维护性。 安全与可靠性设计 讨论在RTOS系统中如何考虑安全性问题，例如访问控制、安全通信等。 分析RTOS在功能安全（Functional Safety）标准（如ISO 26262）中的应用。 未来RTOS技术发展趋势 探讨微内核、云原生RTOS、AIoT时代的RTOS等新兴技术方向。 本书特点： 理论深度与实践广度并重： 既深入讲解RTOS的核心理论，又提供丰富的应用案例和开发实践。 清晰的结构与逻辑： 章节之间层层递进，由浅入深，便于读者系统学习。 注重细节与原理： 深入剖析RTOS的内部机制和源码实现，帮助读者知其然并知其所以然。 面向实际开发： 强调RTOS在实际嵌入式项目中的应用，提供可操作的开发指导。 语言风格： 采用严谨、专业的学术语言，同时辅以清晰易懂的解释，力求使读者在阅读过程中获得流畅的体验。 本书适合于从事嵌入式系统开发的工程师、对实时操作系统感兴趣的研究人员，以及正在学习嵌入式开发的学生。通过本书的学习，读者将能够深刻理解实时操作系统的运作原理，并能独立完成复杂的嵌入式实时系统项目。

评分☆☆☆☆☆

这本书的特色似乎在于它将“源码详解”与“应用开发”做了紧密的结合，这正是我所缺乏的。单纯的源码分析容易流于抽象，而脱离了实际应用场景的理论讲解也显得空洞无力。我关注的是，作者是如何选取那些最具代表性的STM32应用场景，比如电机控制、数据采集或网络通信，然后展示FreeRTOS内核是如何在其上实现高效、可靠调度的。例如，当处理一个高优先级、时间敏感的传感器中断时，代码是如何确保上下文切换的原子性，并正确地唤醒等待的任务的？书中是否详细分析了中断服务程序（ISR）与任务通信的最佳实践，避免引入优先级反转或死锁等经典问题？如果能看到真实项目中，应用层代码是如何巧妙地调用内核API来管理资源和同步事件的案例分析，那么这本书的实用价值就远超一般的教科书了。

评分☆☆☆☆☆

我非常看重作者在处理复杂概念时的阐释深度和清晰度。FreeRTOS中的定时器管理、软件延时、以及队列溢出处理机制，这些看似简单的功能背后往往隐藏着精妙的设计。我希望这本书能够避免使用过于官方和僵硬的术语堆砌，而是用一种更贴近工程师思维的语言来解释这些细节。比如，对于任务优先级继承（Priority Inheritance）或优先级天花板（Priority Ceiling）这些高级同步机制的引入，作者能否通过生动的比喻或图示，把其背后的互斥保护思想讲解透彻，而不是仅仅贴上官方文档的定义？一个好的技术解读，应该是能够“点拨”读者，让读者在读完之后，不仅知道“是什么”，更明白“为什么是这样设计”，并能举一反三地将其思想迁移到其他类似的实时系统中去。如果这本书能达到这种“授人以渔”的境界，那它将是值得我长期珍藏的技术宝典。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计得很有质感，配色沉稳，字体清晰，第一眼看上去就给人一种专业、严谨的感觉。我立刻就被书名中“FreeRTOS源码详解”这个关键词吸引住了，因为我目前正在从事基于STM32平台的嵌入式项目开发，对操作系统底层的理解一直是个瓶颈。通常市面上的书籍要么偏向于应用层API的介绍，对源码的剖析往往浅尝辄止，要么就是过于晦涩难懂的纯理论书籍，很难将理论与实际开发紧密结合起来。我期待这本书能够在源码的逐行解析中，揭示FreeRTOS内核调度、内存管理、中断处理等核心机制的运作奥秘，特别是如何与STM32的硬件特性进行协同工作。如果书中能提供清晰的流程图和代码注释，辅以对关键数据结构和函数的深入探讨，那无疑会大大加速我对实时操作系统理解的深度，帮助我调试那些棘手的底层Bug，构建出更稳定、更高效的嵌入式系统。我希望它不仅仅是参考手册，更是一位耐心的导师，能把我从应用层的“调用者”引向对内核“掌控者”的转变。

评分☆☆☆☆☆

这本书的排版和印刷质量给我留下了非常好的印象。纸张的选择偏哑光，阅读起来长时间眼睛也不会感到疲劳，这对于需要反复研读代码和复杂逻辑的读者来说至关重要。我特别留意了图表的清晰度，涉及到任务切换、信号量或消息队列等并发控制场景时，时序图和状态图的绘制直接决定了理解的难易程度。很多技术书籍在这方面做得比较粗糙，导致读者需要花费大量时间去猜测作者的意图。如果这本书的插图能够做到逻辑清晰、层次分明，并且准确地映射到具体的源码位置，那么它的学习价值将大大提升。此外，章节的逻辑组织也显得非常重要。我希望它能遵循“宏观到微观”的路径，先介绍FreeRTOS的整体架构和设计哲学，然后逐步深入到各个模块的源码实现，最终再回归到STM32平台上的具体移植和应用实践，形成一个完整的知识闭环。

评分☆☆☆☆☆

作为一名正在努力从传统裸机编程向RTOS范式过渡的工程师，我对于工具链和环境配置的详尽说明抱有极高的期待。仅仅讲解理论是不够的，在实际操作中，编译错误、链接问题以及与特定MCU寄存器交互的细节往往是初学者最大的障碍。我期望本书不仅涵盖FreeRTOS本身，更能提供一套完整的、可复现的、基于STM32CubeIDE或Keil等主流IDE的工程搭建指南。比如，如何正确地初始化时钟源、配置Systick定时器以驱动心跳节拍、如何设置正确的内存分区以适应RTOS的堆栈需求等。如果书中能提供一套配套的、可下载的源代码示例，并且这些示例能够完美运行，那就太棒了。这能让我对照书本的讲解，立即动手验证每一个概念，极大地缩短了“理论学习”到“实际部署”之间的时间鸿沟。

评分☆☆☆☆☆

不错的书，对初学者有很大的帮助

评分☆☆☆☆☆

不错，学习一下

评分☆☆☆☆☆

非常好的一本书 值得拥有

评分☆☆☆☆☆

本书辅以大量的例程,全面讲解了Fr e eRTOS的原理以及源码,主要内容包括任务管理和任 务调度、系统裁减和配置、时间管理、队列、信号量、软件定时器、事件标志组、任务通知、低功耗 Ti ck l e s s模式、空闲任务以及内存管理等。同时,本书配有大量的图例,对于想要深入学习RTOS 类系统原理的人来说是一个不错的选择。 本书配套资料包括视频教程、文档教程、各个例程的源码及相关参考资料,所有资料均可在开 源电子网(网址为www. openedv. c om)免费下载。 本书适合那些想要学习Fr e eRTOS的初学者,也可作为高等院校计算机、电子技术、自动化、 嵌入式等相关专业的教材。

评分☆☆☆☆☆

贯一般，没看完

评分☆☆☆☆☆

这个书感觉还行吧，主要过一遍系统

评分☆☆☆☆☆

书印刷质量不错，京东购买图书方便！

评分☆☆☆☆☆

大致翻了几下，应该是论坛上那本开源开发手册的精校版吧，内容差不多一样。纸质还行吧。

评分☆☆☆☆☆

这本书很好，很有用，质量也好