第1章 嵌入式系统概述1
1.1 嵌入式系统的发展历史 1
1.2 嵌入式系统的定义和特点 2
1.3 常用的嵌入式处理器 3
1.4 嵌入式系统的交叉编译开发环境 4
1.5 嵌入式系统的开发流程 6
1.6 本书的内容安排 7

第2章 嵌入式系统的开发基础9
2.1 Shell 环境编程 9
2.1.1 什么是Shell 9
2.1.2 用户管理 11
2.1.3 权限管理 12
2.1.4 目录管理 16
2.1.5 文件管理 16
2.1.6 Shell 变量 20
2.1.7 条件表达式或条件测试 23
2.1.8 流程控制 25
2.1.9 函数 27
2.2 嵌入式系统的C 程序设计 29
2.2.1 GCC 编译器编译源代码的四个阶段 29
2.2.2 GCC 编译器的常用选项 31
2.3 嵌入式系统的构建系统 36
2.3.1 命令行构建系统 36
2.3.2 Makefile 工程管理的核心原理与实现机制 38
2.3.3 Autotools 工程管理的核心原理与实现机制 44
2.3.4 CMake 工程管理的核心原理与实现机制 48
2.3.5 实验：基于CMake 进行工程管理的原理和实现方法 53
2.3.6 实验：基于CMake 和交叉编译的嵌入式程序开发 61

第3章 嵌入式控制系统基础74
3.1 定点运算、浮点运算及其量化效应 74
3.1.1 定点运算 74
3.1.2 浮点运算 78
3.1.3 量化效应 80
3.1.4 实验：定点运算和浮点运算的PID算法 81
3.2 数字滤波器 88
3.2.1 IIR 滤波器 89
3.2.2 FIR 滤波器 95
3.2.3 最小均方滤波器 103
3.3 嵌入式系统中被控对象模型的线性化 110
3.3.1 近似线性化方法 110
3.3.2 反馈线性化 112
3.4 嵌入式系统中被控对象模型的离散化方法 114
3.4.1 采样频率 114
3.4.2 离散化方法 115
3.5 LQR 控制器设计 117
3.5.1 连续时间系统的控制器设计 117
3.5.2 离散时间系统的控制器设计 118
3.6 卡尔曼滤波器的原理和设计方法 120
3.6.1 设计的目的和动机 120
3.6.2 系统建模 121
3.6.3 卡尔曼滤波算法 121
3.6.4 推导细节 123
3.6.5 贝叶斯估计视角 126
3.6.6 卡尔曼滤波器小结 126
3.7 LQR 控制器与卡尔曼滤波器的关系 127
3.7.1 LQR 控制器与卡尔曼滤波器的数学对偶性 127
3.7.2 LQG 控制器设计原理与实现方法 128
3.8 倒立摆系统 130
3.8.1 倒立摆系统的数学模型 130
3.8.2 倒立摆系统的控制器设计 131
3.8.3 倒立摆的离散LQR 控制与卡尔曼滤波器设计 136
3.8.4 使用Eigen3 设计倒立摆系统的LQR 控制器 140

第4章 基于FreeRTOS 的嵌入式控制系统实践149
4.1 FreeRTOS 基础知识 149
4.2 FreeRTOS 的核心功能 149
4.2.1 任务管理 149
4.2.2 调度器 151
4.2.3 内存管理 152
4.2.4 通信与同步机制 152
4.3 FreeRTOS 源代码结构与核心文件解析 159
4.3.1 FreeRTOS 源代码包结构概述 159
4.3.2 FreeRTOS 核心文件解析 159
4.3.3 FreeRTOS 核心头文件与系统配置 160
4.4 基于CMake 的FreeRTOS 源码工程管理 162
4.4.1 工程目录结构解析 162
4.4.2 CMake 工程结构 163
4.4.3 工程实现： CMakeLists.txt 解析、主程序编写与系统构建 164
4.5 实验： 基于CMake 搭建FreeRTOS 模拟器环境 166
4.6 实验： 搭建FreeRTOS 嵌入式开发环境 168
4.6.1 实验目的 168
4.6.2 实验步骤 168
4.7 实验： FreeRTOS 栈溢出检测与钩子函数应用 170
4.7.1 钩子函数机制 170
4.7.2 实验目的和原理 171
4.7.3 实验步骤 171
4.8 实验： 基于FreeRTOS 的卡尔曼滤波器设计 172
4.8.1 实验目标和模型简介 173
4.8.2 卡尔曼滤波算法程序设计 174
4.8.3 基于FreeRTOS 的工程实现 175

第5章 基于树莓派的嵌入式控制系统实践177
5.1 树莓派开发系统简介 177
5.1.1 树莓派硬件架构简介 177
5.1.2 开发环境搭建 178
5.2 基于Ubuntu 的树莓派开发环境搭建和首次配置 179
5.3 GPIO 库的实践与应用 180
5.3.1 基于pigpio 库的GPIO 控制 181
5.3.2 基于libgpiod 库的GPIO 控制 185
5.3.3 基于 RP.i GPIO 库的 GPIO 控制 190
5.3.4 基于GPIO Zero 库的GPIO 控制 193

第6章 基于快速傅里叶变换的嵌入式信号处理实现与部署196
6.1 基于MATLAB 的音频文件主频率分析 196
6.1.1 使用MATLAB 对音频文件进行主频率分析实验 196
6.1.2 使用MATLAB Coder 为Windows 系统生成代码 198
6.1.3 实验：在Windows 系统下对音频文件的主频率分析 199
6.1.4 使用Matlab Coder 为树莓派生成代码 202
6.1.5 实验：在树莓派环境下对音频文件的主频率分析 205
6.2 实验： 基于FFTW 库的音频文件主频率分析 206
6.2.1 FFTW 库的安装 206
6.2.2 使用FFTW 进行主频率分析 207
6.2.3 在树莓派系统中基于FFTW 的音频文件主频率分析 208
6.3 实验： 在树莓派系统中基于Python的音频文件主频率分析 209
6.3.1 树莓派Python 环境配置 209
6.3.2 使用Python 对音频文件进行主频率分析 209
6.3.3 实验步骤 209

参考文献210