👤 硬核嵌入式 —— 电气自动化转行嵌入式，正在用这套框架让一台两轮平衡车真正站起来（已实现首次自主站立 42s，全程真机实录） 📝 连载：知乎《平衡车调试笔记》·《真实工程重构实录》 ｜ 📮 公众号「硬核嵌入式」 ｜ 🌍 知识星球「硬核嵌入式」 ｜ 📺 B 站「硬核嵌入式」 👉 完整介绍与内容索引 ｜ English
面向资源受限 MCU 的可裁剪确定性事件、控制与流式计算框架。
当前稳定的是面向电机驱动、数字电源、BMS 和机器人末端节点的确定性执行底座；公共纯算法库 bm_algorithm（K0，E1）已交付，领域组件（有感 FOC、电源/BMS 编排等）仍在路线图阶段。架构路线将同一套静态资源、确定性执行和故障隔离能力扩展到音频 DSP、振动诊断、工业测量、传感融合、超声/低速雷达和低分辨率视觉。它为从 8 位微控制器到中等规模 ARM Cortex-M 提供统一的编程模型，并在硬件资源充裕时，提供清晰的向 Bmelod on Zephyr 的迁移路径。
未在仓库中合入的组件不会在本文中作为现成功能承诺。使用说明见 docs/README.md。
- 资源分级可裁剪：从
<8 KB Flash / <1 KB RAM（头文件库bm-ultra）到~12 KB Flash / ~4 KB RAM（完整混合域控制）。 - 零堆内存设计：所有内存在编译期或早期
init()中静态分配。不使用malloc/free。 - 混合域执行：硬实时（HRT）控制回路与软实时（SRT）事件驱动业务逻辑严格隔离。
- 多实例执行：同时运行多个控制、采集或估算实例，支持显式资源声明与冲突检测。
- 同步域：对多路 PWM/ADC 进行相位锁定，适用于交错电源拓扑或同步机器人关节。
- 跨域数据交换：无锁三缓冲快照（
bm_snapshot），实现 HRT 到 SRT 的安全数据传递。 - 故障安全启动：
bm_exec_init_all()在执行前先校验所有实例、资源和绑定关系；任何失败都会触发有序回滚并进入安全停机状态。 - 纯算法库：
bm_algorithm提供 PI/滤波/FOC 数学核、FFT、融合等 K0 API（E1，float32），与bm_core无依赖。 - 块流：
bm_stream静态零拷贝块流已合入，可与bm_execBlock/Frame 槽及bm_pipeline配合使用（见 05-混合域接线）。
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 应用层 │
│ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ ┌───────────┐ │
│ │ bm_module │ │ bm_channel │ │ bm_shell │ │ bm_wdg │ │
│ │ (模块生命周期) │ │ (SPSC通道) │ │ (命令行) │ │ (看门狗) │ │
│ └──────┬──────┘ └──────┬──────┘ └──────┬──────┘ └─────┬─────┘ │
│ ┌────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ bm_core │ │
│ │ ┌──────────┐ ┌──────────┐ ┌──────────┐ ┌────────────────┐ │ │
│ │ │ bm_event │ │bm_mempool│ │bm_critical│ │ bm_types │ │ │
│ │ │(发布/订阅) │ │ (内存池) │ │ (临界区) │ │ (错误码体系) │ │ │
│ │ └──────────┘ └──────────┘ └──────────┘ └────────────────┘ │ │
│ └────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ ┌────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ 混合域（可选） │ │
│ │ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ ┌─────────────────────────┐ │ │
│ │ │ bm_hrt │ │ bm_ticker │ │ bm_exec │ │ │
│ │ │(定时调度 HRT)│ │ (SRT 周期任务)│ │ (通用执行实例 + 资源声明) │ │ │
│ │ └─────────────┘ └─────────────┘ └─────────────────────────┘ │ │
│ │ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ ┌─────────────────────────┐ │ │
│ │ │bm_snapshot │ │ bm_sync │ │ HAL 接口契约 │ │ │
│ │ │(跨域邮箱) │ │ (相位同步) │ │ (PWM/ADC/比较器/编码器) │ │ │
│ │ └─────────────┘ └─────────────┘ └─────────────────────────┘ │ │
│ └────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ ┌────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ 算法库（可选，独立于 bm_core） │ │
│ │ bm_algorithm — PI/滤波/电机数学核/FFT/融合/音频/图像…（E1） │ │
│ └────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
| 执行域 | 触发方式 | 典型频率 | 适用任务 |
|---|---|---|---|
| Hardware HRT | PWM / ADC / 比较器硬件中断 | 5–200 kHz | 电流环、数字电源、硬件故障保护 |
| Scheduled HRT | 专用定时器中断 | 100 Hz – 10 kHz | 速度环、低频采样、确定性派生环 |
| SRT | 主循环轮询 + 事件队列 | 无硬截止期限 | 状态机、通信、诊断、命令行 |
核心规则：Hardware HRT 与 Scheduled HRT 绝不访问 SRT 的事件队列或受临界区保护的数据结构。这保证了高优先级控制回路不会被业务逻辑处理延迟。
规划中的 Block/Frame RT 由 DMA half/full 或 frame-ready 触发；bm_stream
已提供静态块流 API，与 bm_exec block slot 的深度集成仍在演进。
| 层级 | Flash | RAM | 典型 MCU | 包含组件 |
|---|---|---|---|---|
| Ultra | < 8 KB | < 1 KB | STM8、AVR、8051 | BM_CONFIG_ENABLE_ULTRA / bm_ultra.h |
| Nano | 8–32 KB | 1–4 KB | CH32V003、STM32F030 | bmelod.h 或 bm_lite.h |
| Lite | 32–128 KB | 4–16 KB | STM32F103、nRF51822、ESP32-WROOM-32E | + channel / shell（BM_CONFIG_ENABLE_*） |
| Control | 32–128 KB+ | 4–16 KB+ | STM32G4、STM32F3 | + HRT / bm_exec / sync（bm_hybrid.h） |
| DSP | 64–256 KB | 16–128 KB | Cortex-M4F/M7、ESP32-S3 | + bm_algorithm、bm_stream |
| Media Edge（规划） | 128 KB+ | 64 KB+ / 外部 RAM | Cortex-M7、带 PSRAM MCU | + 完整 pipeline、camera/audio HAL |
Bmelod Baremetal 面向资源受限 MCU 上的确定性控制与流式计算节点。以下 同时标注现有能力与规划能力。
这里的“覆盖”指承担行业设备中的实时 MCU 子系统，不等于提供完整 PLC、 工业协议栈、SLAM、医疗诊断、功能安全认证或高分辨率媒体系统。
| 领域 | 典型应用场景 | 匹配原因 | 状态 |
|---|---|---|---|
| 数字电源 | DC-DC、PFC、LLC、多相 VRM | Hardware HRT + Scheduled HRT + 同步域 | 现有底座 |
| 电池管理（BMS） | 电芯采样、库仑计数、均衡控制 | 多实例、ADC/DMA、snapshot、保护 | 现有底座 |
| 伺服/运动控制 | 工业伺服、机器人关节、步进驱动 | 电流/速度/位置多速率环 | 现有底座 |
| 机器人 | 机械臂、移动机器人、末端执行器 | 多轴实例、同步、事件协调 | 现有底座 |
| 声学/振动诊断 | 异音、轴承、结构健康 | DMA 块 + FFT/包络/特征 | R1–R3 规划 |
| 工业测量/计量 | 高速采集、功率质量、记录仪 | 同步采样块 + 统计/频谱 | R1–R3 规划 |
| 传感融合/感知 | IMU/AHRS、超声、低速雷达 | 时间戳、周期融合、相关/FFT | R2–R3 规划 |
| 移动与作业机械低层 | AGV、农机、液压、输送、3D 打印 | 运动/过程闭环、融合、联锁 | 算法组件规划 |
| 过程与楼宇节点 | HVAC、灌溉、门机、半导体辅助控制 | 多速率控制、顺序状态机、故障降级 | 算法组件规划 |
| 领域 | 典型应用场景 | 需补齐的缺口 |
|---|---|---|
| 汽车电子（QM 级） | BCM、热管理、灯光、传感器节点 | 需集成 CAN/LIN/UDS 协议栈 |
| 无人机/飞行器 | 电调、云台电机、舵机驱动 | 需无感 FOC 算法和 DShot/OneShot 协议 |
| 消费电子/白色家电 | 变频空调、洗衣机、吸尘器 | 需显示/触摸和无线连接协议栈 |
| 能源/光伏/储能 | 光伏逆变器、PCS、充电桩模块 | MPPT/PLL 数学核已有；需 OCPP/IEC 61850 协议与领域组件 |
| 物联网/传感器节点 | 环境监测、智能表计、农业物联网 | 需 LoRa/BLE/Zigbee 和深度低功耗策略 |
| 嵌入式音频 | 对讲前处理、提示音、EQ、AGC、VAD | 需 stream/pipeline 与 I2S/SAI/PDM/DAC HAL |
| 低分辨率视觉 | 阈值、形态学、码/线检测、帧差 | 需 frame stream、DCMI/CSI、cache/外部 RAM |
| 生物信号 | ECG/PPG/EMG 前处理 | 需产品级医学算法与认证证据 |
| 通信 DSP / TinyML | DTMF/FSK、特征、异常检测 | 协议栈/推理内核建议外置 |
| PLC/网关/实时以太网适配 | 过程镜像、报文整形、确定性 QoS | 语言 runtime 和认证协议栈外置 |
| 领域 | 典型应用场景 | 需补齐的缺口 |
|---|---|---|
| 工业自动化 | 远程 IO、步进驱动、温控 PID | 需 Modbus/工业以太网协议栈 |
| 医疗设备 | 输注泵、呼吸机电机、电动病床 | 需 IEC 62304 流程和安全认证（框架本身未认证） |
| 智能照明 | LED 驱动、DALI/DMX 解码器 | 需 DALI/DMX 和无线 mesh 协议 |
不适用场景：商业航空（DO-178C）、高安全等级汽车（ASIL-D）、复杂 GUI/HMI、高分辨率软件视频编解码、大型神经语音/视觉模型、完整 5G 基带、 植入式医疗和 SIL4 轨交整机控制。
bmelod-baremetal/
├── include/ # 公共 API（见 include/README.md）
│ ├── bmelod.h # 统一对外入口
│ ├── bm_*.h # 分层聚合头 + bm_hal.h
│ ├── bm/common|core|hybrid|algorithm/ # 框架与算法头
│ ├── hal/ # bm_hal_* 契约
│ └── drv/ # bm_drv_*（Port）
├── Source/ # 库内核（类比 FreeRTOS/Source/）
│ ├── core/ # 事件、内存池、模块、看门狗…
│ ├── hal/ # HAL 分发层
│ ├── hybrid/ # HRT、bm_exec、sync、stream…
│ └── algorithm/ # bm_algorithm 纯数学核
├── portable/ # 平台 Port（类比 FreeRTOS/portable/）
│ ├── packs/ # BM_BACKEND 组合包（native_sim、sdk_stm32g4…）
│ ├── sim/ # 仿真后端（native、qemu_cm0、qemu_riscv64）
│ ├── vendor/ # 芯片外设（esp32_idf；stm32g4/ch32v003 暂缓）
│ └── arch/ # ISA 临界区与屏障
├── Demo/ # 示例（类比 FreeRTOS/Demo/）
├── tests/
│ ├── unit/ # Unity 单元测试（PC 本地运行）
│ └── qemu/ # QEMU 冒烟测试
├── docs/
│ ├── README.md # 文档索引（00–21）
│ ├── 00-环境与首次运行.md … 04-测试覆盖率基线.md
│ └── api/ # API 参考（唯一子目录）
└── CMakeLists.txt # CMake 构建（32 位主流平台）
Demo/ 目录包含逐步扩展的演示程序（类比 FreeRTOS/Demo/）：
| 示例 | 重点 | 层级 | 成熟度 |
|---|---|---|---|
ultra_blink |
最小化的头文件版事件队列 | Ultra | D0 |
core_sensor |
事件、内存池与模块生命周期 | Nano | D0 |
full_system |
多模块、事件优先级、看门狗 | Lite | D0 |
interrupt_demo |
SysTick、外设中断与 ISR 事件发布 | Nano | D0 |
hrt_servo_stub |
混合域伺服 | Control | D0 |
hrt_bms_coulomb |
BMS 混合域 | Control | D0 |
multi_axis_sync |
同步域多轴 | Control | D0 |
D0 表示机制演示，不代表相关领域算法达到产品或工业成熟度。示例说明见
01-Demo示例与运行路径。
构建说明见 Demo/README.md。
① 移植 portable/template/bm_port.c → 接 Cube/SDK HAL
② 库集成 Source/ 源码或 libbm_*.a（见 cmake/static-lib/）
# 源码集成：库文件列表（不含 Port）
python tools/list_sources.py --profile event --format keil# CMake 源码集成
bmelod_configure(ROOT ... PROFILE event BACKEND external CONFIG bm_config.h)
target_sources(app PRIVATE Core/Src/bm_port.c)
bmelod_link(app)/* 应用侧：Include Path 只需框架 include/ 一条 */
#include "bmelod.h"
#include "bm_algorithm.h" /* 可选：控制/DSP 纯算法 */
#include "bm_hal_uart.h" /* 板级 HAL 按需 */详见 docs/03-移植与IDE集成/02-挂库到现有工程.md、docs/01-应用开发/03-bmelod头文件与include.md。
cmake -B build/demo/manual/core_sensor -S Demo/core_sensor -DBMELOD_BAREMETAL_DIR=../..
cmake --build build/demo/manual/core_sensor
# 或：.\tools\demo\run_native.ps1 core_sensor.\tools\demo\run_qemu.ps1 interrupt_demo| 层级 | 目标 | 工具 | 运行环境 |
|---|---|---|---|
| 单元测试 | 算法、数据结构、状态机 | Unity + fff（mock） | PC（native_sim） |
| QEMU 冒烟 | HAL 集成、中断上下文、启动流程 | 自定义 TAP 输出测试框架 | QEMU Cortex-M0 / RISC-V |
| 硬件在环 | 真实时序、功耗、外设 | 手动 + 自动化脚本 | 参考开发板 |
运行单元测试：
cmake -B build -DBM_BUILD_TESTS=ON
cmake --build build
cd build && ctest所有框架限制均可在编译期通过 bm_config.h（由 CMake 强制包含）或 -D 编译器标志进行配置：
/* 核心事件系统 */
#define BM_CONFIG_MAX_EVENT_TYPES 16
#define BM_CONFIG_MAX_EVENT_SUBSCRIBERS 32
#define BM_CONFIG_EVENT_QUEUE_SIZE 16
#define BM_CONFIG_EVENT_PRIORITIES 4
/* 可选组件 */
#define BM_CONFIG_MAX_MODULES 8
#define BM_CONFIG_SHELL_BUF_SIZE 64
#define BM_CONFIG_MAX_WDG_MODULES 4
/* 混合域 */
#define BM_CONFIG_HRT_TICK_US 100
#define BM_CONFIG_HRT_MAX_SLOTS 16
#define BM_CONFIG_MAX_EXEC_INSTANCES 16
#define BM_CONFIG_MAX_RESOURCE_CLAIMS 64将 bm_config.h 放在应用层的 include 路径中（须优先于框架 include/），或在 CMake 中设置 BM_CONFIG_FILE。
组件开关（与 CMake BM_ENABLE_* 对齐）：
#define BM_CONFIG_ENABLE_MODULE 1
#define BM_CONFIG_ENABLE_HRT 0 /* Control 层再置 1 */
#define BM_CONFIG_ENABLE_ALGORITHM 0 /* 算法库，CMake: BM_ENABLE_ALGORITHM */
#define BM_CONFIG_ENABLE_ULTRA 0 /* Ultra 剖面置 1 */应用 API 入口：#include "bmelod.h"。Include Path 只需 bmelod-baremetal/include/ 一条。
Bmelod Baremetal 被设计为机器人/电子系统三层架构的底层：
[Ultra] --升级芯片--> [Core] --需要模块化--> [Core + Module]
|
v
[Zephyr + Bmelod 完整版]
- Ultra → Core：编译期事件绑定改为运行时订阅；引入内存池；获得优先级和多订阅者能力。
- Core → Core+Module：分散的中断/主循环逻辑封装为带生命周期管理的模块。
- Baremetal → Zephyr：模块代码基本可复用；事件 API 语义对齐。
bm-channel必须替换为 Bmelod Data Bus。
详细指南见 02-版本迁移与演进。
导读（推荐从此开始）：docs/README.md
完整索引与三条推荐阅读路径见 docs/README.md。主要章节：
| 章节 | 文档 |
|---|---|
| 00 入门 | 环境与首次运行 |
| 01 应用开发 | Demo · main 骨架 · 头文件 · 事件 · 混合域 |
| 02 构建 | CMake 与 bm_config · 静态库 |
| 03 移植 | HAL · 挂库 · Port · IDE 集成（CubeMX / MCUX / Keil / IAR） |
| 04 排障 | 单元测试 · 迁移 · 运行时约束 |
| 05 API | docs/05-API参考/（含 bm_algorithm） |
- 静态优先：优先使用编译期分配和基于宏的注册，而非运行时动态发现。
- 显式契约：每一条资源声明、调度槽位和跨域数据路径都必须显式声明。
- 有界执行：所有循环、队列和表格均有静态已知的最大尺寸；禁止无界递归。
- 可测试性：每个组件都可通过
native_sim在 PC 上测试；QEMU 在接触硬件前提供架构级冒烟测试。 - 故障安全：初始化路径在提交硬件状态前先完成全部校验；失败时触发确定性回滚。
欢迎贡献。在添加新组件或 HAL 参考实现时，请遵循：
- 保持零堆内存原则。
- 提供
native_sim实现和单元测试。 - 更新
docs/05-API参考/中的相关 API 参考文档。 - 如该功能面向终端用户，请新增或扩展示例。
本框架由【硬核嵌入式】独立开发维护（知乎 / 公众号 / 知识星球 / B 站同名；CSDN 为「硬核开源」）——电气自动化出身、从 PLC 行业转行嵌入式；项目在 AI 大模型辅助下开发、设计与调试，所有结论经构建、测试与真机实验验证。
围绕本框架的系列内容（连载中）：
- 📝 知乎专栏：《真实工程重构实录》（框架怎么造、怎么崩、怎么修）·《平衡车调试笔记》（真机调试破案实录）
- 🚗 实战载体：基于本框架的两轮自平衡车已实现首次自主站立（42s），整车 turnkey 工程将在调试收官后开放
- 📮 公众号「硬核嵌入式」：项目月度进度
- 🌍 知识星球「硬核嵌入式」：完整调试实录、可复现工程资料与答疑
- 📺 B 站：真机实战视频连载
Bmelod Baremetal 以 GNU Lesser General Public License v3.0（LGPL-3.0）发布；其并入的 GPLv3 完整条款见 COPYING.GPL3。版权与免责声明见 NOTICE（SPDX-License-Identifier: LGPL-3.0-or-later）。
作为库静态链接进专有固件时，须遵守 LGPL-3.0 对库部分的再链接与源码/目标文件提供义务；应用层专有代码通常不受 GPL 传染性约束。裸机合规细节请以法务意见为准。
第三方组件可能使用其他许可证，见其文件头（例如 tests/unit/unity/ 中的 Unity 为 MIT）。
Bmelod Baremetal 是 Bmelod 机器人软件栈的一部分。它不是通用 RTOS 的替代品，而是面向资源受限机电控制节点的专用框架。