MBED OS 参考手册-嵌入式

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MBED OS 参考手册

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2019-4-9

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本文来自于csdn，从总体上、运行时、配置、模块技术和API方面对MBED OS进行了全面的介绍。

1 概述

1.1 Mbed OS 参考手册

应用代码采用C++编写，使用Mbed OS提供的API，在不同的微处理器上按照统一的编程实现。便于应用的开发。

基本架构图

2 运行时

2.1 引导

2.1.1入口点

Mbed OS提供了两个入口点

· main(void) -所有的标准应用都使用该代码入口点

· mbed_main(void) - main前的入口点，也可以使用这个编写应用入口点

当执行到入口点，用户期望在执行应用代码前完成全部的系统初始化。以下功能必须在执行到入口点前完成。

· 平台底层初始化

· 堆、栈初始化

· 中断向量拷贝到RAM（批注：为什么呢？）

· 标准库初始化

· RTOS初始化，并启动任务调度

2.1.2重定向

Mbed OS重定向了多个标准C库函数，用户可以在远程嵌入式目标设备上按照预计熟悉的方式使用它们

· stdin, stdout, stderr - 标准输入、输出、错误。这些文件并重定向到串口，就像printf \ getc一样使用标准输入、输出功能

· fopen, fclose, fwrite, fread, fseek -文件操作函数。用户通过串口使用，就像内建的文件系统一样

· opendir, readdir, closedir -目录操作函数。用户可以操作内建的文件系统

· exit -让开发板停止执行，标准文件句柄从缓存提交，关闭ARM支持的半主机连接并进入无限循环。若返回指定的错误代码，开发板通过LED等进行闪烁提示。

· clock - 时钟有平台的微秒计算器重载。

2.2 内存

内存分布详见原始资料

2.2.1可读写内存

分两种内存，静态内存和动态内存（通过函数分配和释放）。静态内存在编译时连续分配并不会改变空间大小。动态内存在运行时分配。例如确定，FORK和加入一个线程、或构建或析构一个对象时，使用的内存增加或减少。系统按照不同的方式使用

· Static:

· Vector table (read and write).

· Global data.

· Static data.

· Stacks for default threads (main, timer, idle andscheduler/ISR).

· Dynamic:

· Heap (dynamic data).

· Stacks for user threads. Mbed OS dynamically allocates memory onheap for user thread's stacks.

栈检查在所有的线程都是打开的，若检测到栈溢出，报内核错误

2.2.2Flash

Flash is a read onlymemory (ROM) that contains:

· Vector table (read only).

· Application code.

· Application data.

· Optional bootloader.

2.2.3静态内存优化

2.2.3.1 移除不使用的模块

以一个简单的闪灯示例程序为例，主要的内存如下。（批注：在没有考虑应用使用的内存情况下，需要约12K的内存，要求的内存空间还是比较大的。）

features/frameworks模块包含了Mbed OS测试工具。即使不再需要测试程序。因此，每个BIN文件包含了测试入口。移除这些模块可减少RAM和内存

printf和UART

链接器可以移除程序不使用的模块，还是以闪灯示例为例。主模块没有使用printf或UART。但是，每个模块处理TRACE和ASSET时，通过重定，将他们的错误消息通过printf到串口输出。因此强制将printf 和UART编译到项目中，并占

可通过修改mbed_app.json 配置文件中的配置参数，设置NDEBUG可以禁止错误日志从串口输出。

注意，不同的编译环境，结果可能不一样。

2.2.3.1.2 嵌入式目标板

还可利用只运行在嵌入式系统的特性进行优化。若若C++应用运行在PC机上，在进入main前，操作系统会完成全局C++对象的构建。还会在程序结束时析构这些对象。编译器注入的代码对应用也有一定的影响。

· 编译器注入的代码要占用内存

· 即使应用不需要使用动态内存方式，也需要在BIN文件中包含malloc以便实现动态分配。

若运行在嵌入式系统中，不需要在应用程序退出时销毁全局对象，应为应用永远不会终止。可以通过在应用的启动阶段使用编译器选项进行屏蔽

ARMCC: override __aeabi_atexit, __cxa_atexit and __cxa_finalize. The methodology is explained here.

2.3 执行

2.3.1线程

应用程序执行在主线程，但不是只有该线程在执行，还有几个系统服务线程在运行。

· 应用主线程，缺省有4KB的栈空间，可通过mbed_app.json来配置main栈空间。若使用KEIL等开发环境，应直接修改MBED_CONF_APP_MAIN_STACK_SIZE

· 空线程，在没有其他激活前程的情况，运行该线程。主要是为了保证在没有其他线程的情况，不要让处理器进行循环，占用功耗，而是只要一有可能就进入SLEEP。

· 定义器线程。这个线程主要处理用户时间对象。

注意，不要再使用RtosTimer，而是只用EventQueue

2.3.2执行模式

两种模式执行

· 线程模式：缺省的应用模式，所有用户线程按照这个模式执行，线程有明确的线程栈内存空间。

· 中断模式，系统代码和中断函数在这种模式先执行，使用系统ISR占的静态内存空间

2.3.2.1 中断模式

所有的中断服务器按照这种模式执行，在中断服务函数里同样可以使用RTOS的API。两种模式的主要差别就是句柄模式中的代码不能使用等待，要尽可能执行完成后马上返回线程模式。

· 不能使用MUTEXT

· 不能使用等待，所有时间相关的参数要配置成0

中断服务程序举例：

main.cppImport into Mbed IDE

3 配置

3.1 配置系统

Mbed OS配置系统，是其构建中的一部分工具，用于定义编译时的配置采纳数。每个库对应mbed_lib.json定义一些配置参数，mbed_app.json可以覆盖库里定义的采纳数。配置定义使用JSON。一些示例如下。

（批注：在使用第3方开发工具时，要通过其他的方式来配置。）

· 应用获取数据的采样时间

· 新创建线程的缺省栈空间

· 串口通讯库的接收BUFFER

MBED OS配置系统手机各个库和应用的配置信息，生成一个配置头文件mbed_config.h，将所有的配置转换成C预定宏。该头文件放在编译目录下，

每个库是指可以进行代码复用的代码模块。

现有版本的所有配置文件：

drivers\mbed_lib.json

events\mbed_lib.json

cellular\mbed_lib.json

FEATURE_COMMON_PAL\mbed-trace\mbed_lib.json

FEATURE_COMMON_PAL\nanostack-hal-mbed-cmsis-rtos\mbed_lib.json

FEATURE_COMMON_PAL\sal-stack-nanostack-eventloop\mbed_lib.json

FEATURE_LWIP\lwip-interface\mbed_lib.json

FEATURE_UVISOR\mbed_lib.json

filesystem\mbed_lib.json

filesystem\littlefs\mbed_lib.json

frameworks\utest\mbed_lib.json

lorawan\mbed_lib.json

nanostack\FEATURE_NANOSTACK\mbed-mesh-api\mbed_lib.json

nanostack\FEATURE_NANOSTACK\sal-stack-nanostack\mbed_lib.json

netsocket\mbed_lib.json

netsocket\cellular\generic_modem_driver\mbed_lib.json

nvstore\mbed_lib.json

storage\FEATURE_STORAGE\cfstore\mbed_lib.json

platform\mbed_lib.json

rtos\mbed_lib.json

FEATURE_COMMON_PAL\mbed-trace\module.json

FEATURE_BLE\module.json

FEATURE_COMMON_PAL\mbed-client-randlib\module.json

FEATURE_COMMON_PAL\mbed-coap\module.json

FEATURE_COMMON_PAL\nanostack-libservice\module.json

FEATURE_COMMON_PAL\sal-stack-nanostack-eventloop\module.json

nanostack\FEATURE_NANOSTACK\mbed-mesh-api\module.json

用custom_targets.json来配置目标板

在参考文档里，介绍了如何配置参数：

a) MBED CLI环境下如何查看配置

b) 代码中如何使用配置数据：

MBED配置系统将各个配置汇总、转换并保存到 mbed_config.h 文件中，

宏定义按如下规则MBED_CONF_+库/应用名+配置参数

编译工具指定 mbed_config.h是每个代码的第1个包含头文件，不用再代码中包含

c) mbed_app.json, mbed_lib.json中的配置参数

d) mbed_app.json会覆盖mbed_lib.json中定义的参数

e) mbed_lib.json 格式说明

f) mbed_app.json 格式说明

之后主要介绍了主要模块：平台、驱动、RTOS、连接模块的配置参数。但没有源代码其他模块的配置参数

3.2 6LoWPAN and Thread Mesh

Thread，由三星、Nest、ARM、Big Ass Fans、飞思卡尔和Silicon Labs公司联合推出，是一种基于IP的无线网络协议，用来连接家里的智能产品。

4 技术

技术主要介绍通讯相关的3个部分：

1、以太网，MBED OS采用lwip库支持以太网，支持IPV4和IPV6，只支持IP包的处理

2、无线局域网：支持WIFI，支持802.11.A/B/G/N. WIFI协议主要硬件模块和驱动实现， mbed os在此基础上实现一个仿真以太网接口或网络栈API

3、Thread + 6LoWPAN中的主要技术月以及如何组网：大致浏览了一下，主要技术可通过其他途径理解。

通过 6LoWPAN 技术支持 IPv6 。Thread可支持 250 个以上设备同时联网，能够覆盖到家中所有的灯泡、开关、传感器和智能设备。优化了功耗，超低能耗，设备可以运行数年。此外，Thread 是基于 ZigBee 的，也就是说原有的 ZigBee 设备只需更新软件即可兼容 Thread。综合来看，Thread 很可能像 Homekit、高通的开源框架 AllJoyn 一样，是一种在顶层工作的顶层架构（百度百科）

网络主要包含以下元素：

BR：Border router 边界路由器，在6LoWPAN与IPV6网络之间作转换。MBED OS不支持IPV4，建议通过IPV6的隧道技术支持IPV4.BR对接入节点进行认证，并跟踪网络路由

router : 路由节点，进行包的路由功能，这种节点不允许睡眠。需要这种节点实现拓扑或MESH网。

HOST：主机，主机类节点不路由包，只有一个父节点路由包

Sleepy Host：这种主机节点周期性的睡眠和唤醒其无线功能

主要的网络结构

星状网：

除了BR外，都是主机节点。主机节点可以低功耗的主机节点

MESH、TREE网络

每个节点都是路由节点。使用RPL协议建立路由。每个节点选择一个基本父节点。因此网络看起来像一个树。因为每个包在路由节点都要重新传送，称为一跳HOP。因此随着网络的增加，

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