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C++嵌入式系统编程教程与实践详解

嵌入式系统

内存管理

需积分: 5 0 下载量 113 浏览量 2024-10-09 22:33:42 上传评论收藏 473KB PDF 举报

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27页

内容概要：本文详细介绍了C++语言特性及其在嵌入式系统中的应用，从基本概念入手探讨了嵌入式系统的特点，阐述了实时操作系统原理，演示了内存管理、硬件交互和并发编程的实际操作，并涵盖了重要的调试与测试工具和方法。适合有一定C++编程基础的研发人员学习嵌入式编程的相关理论和技术，以及实际工程应用场景。适用人群：具有一定C++编程经验的技术人员，特别适合希望在嵌入式开发领域深入发展的工程师。使用场景及目标：适用于需要高效实现内存管理、并发任务处理及复杂系统构建的嵌入式项目开发者。其他说明：文中配有丰富的代码样例，涵盖面向对象编程、泛型编程，内存管理和优化技术，中断和服务调度算法介绍，同时介绍了RTOS在实时系统的作用以及各种开发调试手段。通过对这些示例的研究和动手实践，可以帮助初学者掌握嵌入式开发核心技术。

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### C/C++嵌入式编程知识点详解 #### 一、嵌入式系统概述嵌入式系统是指将计算机硬件和软件结合在一起，用于控制设备、机器或其他应用的专用计算机系统。这种系统通常具有低功耗、高可靠性和实时处理能力等特点。...

C++嵌入式系统编程教程

1 C++基础回顾

1.1 C++语言特性

C++是一种静态类型的、编译式的、通用的、大小写敏感的、不规则的编程

语言，支持过程化编程、面向对象编程和泛型编程。C++由 Bjarne Stroustrup 在

贝尔实验室开发，最初作为 C 语言的增强版出现，后来发展成为一种独立的语

言。C++的特性包括：

 类型安全：C++是一种类型安全的语言，它要求变量在使用前必须

声明类型。



内存管理：C++提供了对内存的直接控制，包括 new 和 delete 操

作符，用于动态内存分配和释放。

 异常处理：C++支持异常处理机制，通过 try、catch 和 throw 关键

字来捕获和抛出异常。



命名空间：命名空间用于组织代码，避免全局命名冲突。

 模板：模板是 C++的泛型编程工具，允许编写参数化的类和函数。

1.1.1 示例：使用命名空间避免命名冲突

// C++

代码示例：命名空间的使用

#include <iostream>

namespace math {

int add(int a, int b) {

return a + b;

}

namespace physics {

double add(double a, double b) {

return a + b;

}

int main() {

using namespace std;

int sum1 = math::add(1, 2);

double sum2 = physics::add(1.5, 2.5);

cout << "Sum of 1 and 2 is: " << sum1 << endl;

cout << "Sum of 1.5 and 2.5 is: " << sum2 << endl;

return 0;

}

1.2 面向对象编程基础

面向对象编程（OOP）是 C++的一个核心特性，它通过类和对象的概念来

实现。类是一种用户定义的数据类型，它封装了数据和操作这些数据的函数。

对象是类的实例。C++中的 OOP 特性包括：



封装：将数据和操作数据的函数封装在类中，隐藏内部实现细节。

 继承：子类可以继承父类的属性和方法，实现代码重用。

 多态：允许子类重写父类的方法，实现不同类的相同方法名但不

同行为。

1.2.1 示例：使用类和对象实现简单的计算器

// C++

代码示例：面向对象编程

#include <iostream>

class Calculator {

public:

int add(int a, int b) {

return a + b;

}

int subtract(int a, int b) {

return a - b;

}

};

int main() {

using namespace std;

Calculator calc;

int sum = calc.add(10, 5);

int diff = calc.subtract(10, 5);

cout << "Sum: " << sum << endl;

cout << "Difference: " << diff << endl;

return 0;

}

1.3 模板与泛型编程

模板是 C++中用于实现泛型编程的工具。它允许编写可以处理多种数据类

型的函数或类，而无需为每种类型重复代码。模板分为函数模板和类模板。

1.3.1 示例：使用函数模板实现通用的交换功能

// C++

代码示例：函数模板

#include <iostream>

template <typename T>

void swap(T& a, T& b) {

T temp = a;

a = b;

b = temp;

}

int main() {

using namespace std;

int x = 10, y = 20;

double a = 1.5, b = 2.5;

swap(x, y);

swap(a, b);

cout << "x: " << x << ", y: " << y << endl;

cout << "a: " << a << ", b: " << b << endl;

return 0;

}

1.3.2 示例：使用类模板实现通用的栈

// C++

代码示例：类模板

#include <iostream>

#include <vector>

template <typename T>

class Stack {

private:

std::vector<T> elements;

public:

void push(const T& element) {

elements.push_back(element);

}

T pop() {

T result = elements.back();

elements.pop_back();

return result;

}

bool empty() const {

return elements.empty();

}

};

int main() {

using namespace std;

Stack<int> intStack;

Stack<string> stringStack;

intStack.push(1);

intStack.push(2);

stringStack.push("Hello");

stringStack.push("World");

cout << intStack.pop() << endl;

cout << stringStack.pop() << endl;

return 0;

}

以上示例展示了 C++中模板的使用，如何通过模板实现函数和类的泛型编

程，以及如何使用命名空间和面向对象编程来组织和封装代码。

嵌入式系统概览

2.1 嵌入式系统定义与特点

嵌入式系统是一种专用的计算机系统，设计用于执行特定功能，通常在大

型设备或系统中作为组件存在。它们的特点包括：

 资源受限：嵌入式系统通常具有有限的计算资源，如处理器速度、

内存和存储空间。



实时性：许多嵌入式系统需要在严格的时间限制内响应输入，以

保证系统的稳定性和安全性。



可靠性：由于嵌入式系统往往在无人干预的环境中运行，因此其

设计必须确保高可靠性。

 专用性：嵌入式系统针对特定应用进行优化，如汽车电子、医疗

设备、工业自动化等。

2.2 嵌入式系统架构

嵌入式系统架构主要包括硬件和软件两大部分：

 硬件：包括微处理器、存储器、输入/输出接口、传感器和执行器

等。



软件：分为操作系统和应用程序。操作系统负责管理硬件资源和

提供软件运行环境，应用程序则实现具体功能。

2.2.1 示例：简单的嵌入式系统架构

- 微处理器: ARM Cortex-M4

- 存储器: 128KB Flash, 32KB RAM

- 输入/输出接口: UART, SPI, I2C

- 操作系统: FreeRTOS

- 应用程序: 温度监测与控制

2.3 实时操作系统原理

实时操作系统（RTOS）是嵌入式系统的核心，它能够保证任务在规定的时

间内完成，满足系统的实时性要求。RTOS 的关键特性包括：

 任务调度：根据任务的优先级和时间约束进行调度，确保高优先

级任务能够及时执行。



中断处理：RTOS 能够快速响应硬件中断，处理外部事件。

 内存管理：RTOS 提供高效的内存管理机制，以适应资源受限的环

境。



通信机制：包括任务间通信和进程间通信，如信号量、消息队列

和互斥锁等。

2.3.1 示例：使用 FreeRTOS 进行任务调度

#include "FreeRTOS.h"

#include "task.h"

任务函数

void vTask1( void * pvParameters )

{

(void) pvParameters; //

忽略参数

while( 1 )

{

执行任务

的代码

printf("Task 1 is running.\n");

vTaskDelay( pdMS_TO_TICKS( 1000 ) ); //

延迟

秒

}

void vTask2( void * pvParameters )

{

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