物聯網嵌入式軟體（原書第3版）

譯者序
前言

第1章　引言 1
1.1互聯網的故事 1
1.2雲 2
1.3物聯網 3
1.4物聯網相關術語 4

第一部分　基本體系

第2章　如何選擇作業系統 8
2.1無作業系統和嚴格的輪詢 9
2.2協程 12
2.3中斷 12
2.4小型即時內核 14
2.5非搶佔式作業系統 16
2.6完整的作業系統 18
2.7開源、GNU許可和Linux 20
2.8作業系統結構 22
2.9擴展閱讀 22

第3章　使用哪個CPU 24
3.1概述 24
3.2CPU核心 26
3.3CPU架構 27
3.4字長 29
3.5記憶體管理單元 30
3.6RAM 30
3.7緩存 30
3.8EEPROM和快閃記憶體 31
3.9浮點運算器 31
3.10DSP 32
3.11加密引擎 32
3.12升級路徑 32
3.13第二來源 33
3.14價格 33
3.15出口控制 33
3.16RoHS合規性 34
3.17評估板 34
3.18工具鏈 35
3.19基準測試 35
3.20功耗 36
3.21JTAG調試器 36
3.22外設 36
3.23自製或外購 40
3.24擴展閱讀 42

第二部分　最佳實踐

第4章　軟體架構 44
4.1性能設計 44
4.2從零開始的恐懼 46
4.3分層 47
4.4不僅僅是API——還有更多的檔 48
4.5物件模型（包含層次結構） 49
4.6案例：CANOpen 49
4.7消息傳遞 51
4.8中介軟體 52
4.9案例：LAN-XI的架構重用 52
4.10理解C語言 54
4.11擴展閱讀 56

第5章　調試工具 58
5.1模擬器 58
5.2線上模擬器 59
5.3後臺或JTAG調試器 59
5.4目標的替代品 60
5.5調試器 60
5.6strace 62
5.7調試時不使用特殊工具 63
5.8監控消息 64
5.9測試流量 64
5.10擴展閱讀 68

第6章　代碼維護 70
6.1窮人備份 70
6.2版本控制及git 71
6.3構建和虛擬化 75
6.4靜態代碼分析 77
6.5檢查 78
6.6跟蹤缺陷和特性 79
6.7白板 82
6.8文檔 82
6.9Yocto 82
6.10OpenWRT 84
6.11擴展閱讀 85

第三部分　物聯網技術

第7章　網路 88
7.1互聯網協定簡介 88
7.2瑟夫和卡恩：互聯網是網中網 88
7.3資料包的生命週期 89
7.4資料包之前的生命週期 95
7.5獲取IP地址 98
7.6DHCP 99
7.7網路遮罩、CIDR和特殊範圍 101
7.8保留的IP範圍 102
7.9　NAT 102
7.10DNS 103
7.11引入 HTTP 105
7.12REST 107
7.13Windows下IPv4的TCP通訊端 109
7.14IP分片 116
7.15引入IPv6地址 118
7.16Linux下IPv6的TCP通訊端 120
7.17資料傳輸 125
7.18UDP通訊端 128
7.19案例：IPv6上的UDP 130
7.20應用層協定 133
7.21通訊端API的替代品 136
7.22乙太網電纜 137
7.23實體層的問題 139
7.24擴展閱讀 140

第8章　網路工具 141
8.1查找IP位址 141
8.2交換機作為一種工具 143
8.2.1鏡像 143
8.2.2統計 144
8.2.3模擬丟幀 145
8.2.4暫停幀 145
8.3tap 146
8.4SNMP 147
8.5Wireshark 148
8.6網路命令 149
8.7擴展閱讀 149

第9章　無線網路 151
9.1引言 151
9.2Wi-Fi基礎 154
9.3接入點作為中繼器 155
9.4如何計算速度 157
9.5案例：Wi-Fi資料傳輸 159
9.6案例：信標 161
9.7案例：奇怪的滯後 163
9.8聚合幀 164
9.9通道評估 166
9.10低功耗藍牙 167
9.11認證 169
9.12擴展閱讀 170

第10章　安全 171
10.1引言 171
10.2駭客的目標 173
10.3網路安全概念 174
10.4散列函數 176
10.5對稱式金鑰密碼編譯 177
10.6　案例：Enigma 178
10.7非對稱式金鑰密碼編譯 179
10.8數位簽章 181
10.9證書 182
10.10消息認證碼 183
10.11nonce 184
10.12安全的通訊端通信 185
10.13OpenSSL 187
10.14案例：心血漏洞 188
10.15案例：Wi-Fi安全 189
10.16軟體加密庫 191
10.17可信平臺模組 192
10.18嵌入式系統 193
10.19嵌入式系統中的漏洞 194
10.20出口管制 197
10.21擴展閱讀 199

第11章　數字濾波器 201
11.1數位化的原因 201
11.2為何需要濾波器 202
11.3採樣頻率 203
11.4時域和頻域 203
11.5類比和數位定義 205
11.6更多的二元性 206
11.7表現良好的系統 212
11.8IIR濾波器基礎知識 213
11.9IIR的實現 214
11.10FIR濾波器基礎知識 217
11.11FIR的實現 220
11.12動態範圍與精度 222
11.13整數 222
11.14定點運算 224
11.15Q記號和乘法 225
11.16除法 226
11.17BCD 226
11.18擴展閱讀 227

第12章　統計程序控制 228
12.1簡介 228
12.2重要術語 231
12.3控制圖 231
12.4查找控制限制 233
12.5子組 236
12.6案例：絕緣板 236
12.7EWMA控制圖 240
12.8過程能力指數 240
12.9擴展閱讀 241

後記 242

物聯網已經出現，很快將有500億台設備被“連接”。這就提出了一個問題：誰來對這些設備進行程式設計？

在“StackOverflow”2018年的一項重大調查中，10萬名參與調查者有5.2%的人聲稱自己在使用嵌入式應用程式或設備，這一比例是2016年同一調查的兩倍，要吸引餘下94.8%的人中的開發人員仍有很大的潛力。

這些開發人員除了要掌握基本的程式設計技能，還要進軍大量的新領域。

VDC Research發佈的《2018年物聯網開發者/工程師普查與分析》（2018 IoT Developer/Engineer Census and Analysis）指出，“在工程公司尋找具備領域特定技能和雲/IT技能、能夠構建互連解決方案和應用程式的‘多面手’物聯網開發者的同時，傳統工程師的增長和需求已經放緩。”

本書旨在為讀者提供上述的眾多技能。作者以結構化的方式展示了相關領域全面深入的基礎知識。這為讀者打下了一個堅實的基礎，所有分散的Web細節都可以附加到這個基礎之上。

在這本書中，作者非正式而中肯地總結了自己30多年來私營企業工作和大學教學的實踐經驗。

本版的新穎之處

與上一版相比，本書在“物聯網技術”部分增加了兩章。其中一章與互聯網安全有關，這或許並不令人意外，因為隨著物聯網規模的增長，互聯網安全問題越來越重要。另一章是統計程序控制（SPC），增加這一章用戶可能不太理解。然而，正如本書第1章所介紹的，SPC是“工業4.0”的重要組成部分，這是一個與物聯網密切相關的術語。

除了新增這兩章之外，本書還對現有的章節進行了更新。“進程”章節已經被更改為“代碼維護”，新引入的章節內容還有 Yocto，尤其引入了git，其他章節也做了類似的更改。就篇幅而言，這個版本比上一個版本增加了一半以上。

網路部分的Wireshark螢幕截圖更加易於閱讀，同時大量新的圖片和表格也提升了閱讀體驗。

本書第3版由De Gruyter出版。這意味著在內容、印刷和設計方面有數不勝數的改進。許多細節更新到2018年的新進展，而Python現已成為模擬的核心語言。

致謝

非常感謝Stuart Douglas發現了本書，並將這本書帶入De Gruyter家族。感謝我的編輯Jeffrey Pepper耐心審查了本書，他發現我過度使用了“首字母大寫”和連字號。Jeffrey對文本和圖片進行了許多改進，改善了閱讀體驗。同樣，我要感謝Paul Cohen對技術的深入審校。最後，感謝家人的耐心傾聽，並感謝他們容忍我長時間待在電腦前面工作。

Klaus Elk