2025年嵌入式系统编程试题及答案

2025年嵌入式系统编程试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.以下关于ARMCortex-M7内核的描述中，错误的是（）A.支持双精度浮点运算单元（FPU）B.采用哈佛架构，指令与数据总线分离C.支持内存保护单元（MPU）D.中断响应延迟固定为12个时钟周期答案：D（Cortex-M7的中断响应延迟为12-16个时钟周期，具体取决于是否有悬起中断或抢占）2.在STM32H7系列芯片中，若要配置GPIOA的Pin5为推挽输出模式，且输出速度为100MHz，使用HAL库时应设置（）A.GPIO_InitStruct.Mode=GPIO_MODE_OUTPUT_PP;GPIO_InitStruct.Speed=GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;B.GPIO_InitStruct.Mode=GPIO_MODE_OUTPUT_OD;GPIO_InitStruct.Speed=GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;C.GPIO_InitStruct.Mode=GPIO_MODE_AF_PP;GPIO_InitStruct.Speed=GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;D.GPIO_InitStruct.Mode=GPIO_MODE_OUTPUT_PP;GPIO_InitStruct.Speed=GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;答案：D（STM32H7的GPIO速度等级中，100MHz对应SPEED_FREQ_VERY_HIGH）3.关于嵌入式实时操作系统（RTOS）的任务状态，以下描述正确的是（）A.任务处于“阻塞”状态时，CPU会立即调度其他就绪任务B.任务的“挂起”状态需要通过超时机制自动恢复C.所有RTOS的任务优先级均为抢占式，高优先级任务可打断低优先级任务D.任务的“就绪”状态是指任务已获得所有资源，等待CPU调度答案：A（阻塞状态的任务因等待事件（如延时、信号量）被暂停，CPU调度就绪任务；挂起状态需显式恢复；部分RTOS支持非抢占式调度；就绪状态仅表示任务未被阻塞，但可能未获得所有资源）4.若I2C从机地址为0x50（7位地址），则主机发送写操作时的首字节应为（）A.0xA0（0x50<<1|0）B.0x50（7位地址直接发送）C.0xA1（0x50<<1|1）D.0x28（0x50>>1）答案：A（I2C通信中，7位地址左移1位，最低位为0表示写操作，1表示读操作）5.以下关于嵌入式系统中断处理的描述，错误的是（）A.中断服务程序（ISR）应尽量短小，避免使用浮点运算B.Cortex-M内核的NVIC支持中断嵌套，高优先级中断可打断低优先级ISRC.中断屏蔽寄存器（PRIMASK）置1时，仅能响应NMI（不可屏蔽中断）D.STM32的外部中断（EXTI）只能由GPIO引脚触发答案：D（STM32的EXTI可由GPIO、RTC闹钟、USB唤醒等多种事件触发）6.在基于FreeRTOS的多任务系统中，若任务A通过xQueueSend()向队列发送数据，任务B通过xQueueReceive()阻塞等待数据，当队列满时（）A.xQueueSend()立即返回错误，任务A继续运行B.任务A进入阻塞状态，直到队列有空间或超时C.FreeRTOS会自动删除队尾数据，腾出空间D.任务B被唤醒，读取数据后任务A再发送答案：B（FreeRTOS的xQueueSend()在队列满时，若设置阻塞时间，任务会进入阻塞状态等待队列空间）7.以下关于ARMThumb-2指令集的描述，正确的是（）A.仅支持16位指令编码B.兼容ARM指令集，可混合使用16位和32位指令C.所有指令均为条件执行D.无法访问CPSR寄存器答案：B（Thumb-2支持16位和32位混合编码，提高代码密度，兼容ARM指令集）8.若需要在STM32中实现ADC的连续转换模式，且转换结果通过DMA传输到内存，关键配置步骤不包括（）A.配置ADC为连续转换模式B.配置DMA为循环模式（CircularMode）C.使能ADC的EOC（转换完成）中断D.配置DMA的传输方向为外设到内存答案：C（连续转换模式下，DMA会自动传输每个转换结果，无需EOC中断触发）9.关于嵌入式系统的内存管理，以下说法错误的是（）A.静态内存分配在编译时确定，运行时不可变B.动态内存分配（如malloc）可能导致内存碎片C.Cortex-M的MPU（内存保护单元）可限制任务对特定内存区域的访问权限D.嵌入式系统中，堆（Heap）的大小通常远大于栈（Stack）答案：D（嵌入式系统资源有限，堆用于动态分配，大小通常小于栈（栈用于函数调用和局部变量））10.在设计嵌入式系统的低功耗模式时，以下策略无效的是（）A.关闭未使用的外设时钟B.使用停止模式（StopMode）时保留RAM数据C.提高CPU主频以缩短任务执行时间D.将GPIO设置为输入模式避免漏电流答案：C（提高主频会增加功耗，低功耗设计应降低主频或在任务完成后进入低功耗模式）二、填空题（每空2分，共20分）1.STM32的SysTick定时器是一个____位递减计数器，通常用于____（如FreeRTOS的心跳）。答案：24；系统时基2.I2C总线的两条信号线是____和____，其典型通信速率为100kHz（标准模式）或400kHz（快速模式）。答案：SCL（时钟线）；SDA（数据线）3.Cortex-M内核的NVIC中，中断优先级由____寄存器配置，其中前____位（取决于分组设置）用于抢占优先级。答案：IP（中断优先级）；44.在FreeRTOS中，任务的堆栈大小通常以____为单位定义，任务控制块（TCB）的结构体类型为____。答案：字（Word，32位系统为4字节）；TaskHandle_t5.嵌入式系统中，ADC的分辨率为12位，参考电压为3.3V，则其最小量化单位为____mV（保留2位小数）。答案：0.81（3.3V/(2^12)=3.3/4096≈0.0008056V=0.81mV）6.若要配置STM32的UART1为9600波特率，8位数据位，1位停止位，无校验，HAL库的初始化函数为____，其中波特率计算涉及的时钟源是____。答案：HAL_UART_Init()；APB2（UART1通常挂载在APB2总线）三、简答题（每题8分，共40分）1.简述嵌入式系统中“前后台系统”与“实时操作系统（RTOS）”的主要区别及适用场景。答案：前后台系统（轮询+中断）由主循环（后台）和中断服务程序（前台）组成，结构简单，资源占用少，但任务间并发能力弱，适用于功能单一、实时性要求低的小型系统（如简单传感器节点）。RTOS通过任务调度管理多任务，支持优先级抢占、时间片轮转，任务间通过信号量、队列通信，资源占用较高，适用于功能复杂、需要多任务并发和严格实时性的场景（如工业控制器、智能家居网关）。2.说明在STM32中配置外部中断（EXTI）的关键步骤（以PA5引脚为例）。答案：（1）使能GPIOA和SYSCFG时钟；（2）配置PA5为输入模式（上拉/下拉根据需求）；（3）通过SYSCFG配置EXTI线5的映射源为GPIOA（SYSCFG_EXTI_Config(EXTI_PortSourceGPIOA,EXTI_PinSource5)）；（4）配置EXTI线5的触发方式（如上升沿、下降沿或双边沿）；（5）在NVIC中使能EXTI9_5中断（因PA5属于EXTI线5，共享EXTI9_5中断向量）并设置优先级；（6）编写中断服务函数EXTI9_5_IRQHandler()，在函数中检查EXTI线5的中断标志位，处理逻辑后清除标志（__HAL_GPIO_EXTI_CLEAR_IT(GPIO_PIN_5)）。3.解释FreeRTOS中“信号量（Semaphore）”与“互斥量（Mutex）”的区别及使用场景。答案：信号量用于资源计数或事件通知，支持“计数信号量”（初始值>1）和“二进制信号量”（初始值0或1），任务获取信号量后计数减1，释放后加1。互斥量是特殊的二进制信号量，用于解决资源互斥访问，支持优先级继承（避免优先级反转），仅能由持有者释放。使用场景：信号量适用于多任务间事件同步（如ADC转换完成通知）或有限资源的计数（如连接数限制）；互斥量适用于保护共享资源（如全局变量、外设驱动），防止多任务同时访问导致数据错误。4.分析嵌入式系统中“内存映射IO（Memory-MappedIO）”的原理及优势。答案：内存映射IO将外设寄存器映射到处理器的内存地址空间，CPU通过访问内存地址的方式读写外设寄存器。优势：（1）简化编程，无需专用IO指令（如x86的in/out），使用通用的加载/存储指令（如ARM的LDR/STR）即可操作外设；（2）便于通过指针直接访问寄存器，提高操作效率；（3）统一的内存管理机制可用于外设控制（如通过MPU保护IO区域）。5.列举并解释ARMCortex-M内核的三种低功耗模式（以Cortex-M4为例）。答案：（1）睡眠模式（SleepMode）：仅关闭CPU时钟，内核停止运行，外设和中断控制器保持活动，中断可唤醒，适合短时间暂停任务；（2）停止模式（StopMode）：关闭所有clocks（包括HCLK、PCLK），保留内核寄存器和SRAM数据，电压调节器可进入低功耗模式，唤醒时间较长（需重新配置时钟），适合较长时间无任务执行；（3）待机模式（StandbyMode）：关闭所有电源域（除备份域），SRAM和寄存器数据丢失，仅保留备份寄存器，唤醒后需重新初始化系统，功耗最低，适合超长时间待机（如电池供电设备的深度睡眠）。四、编程题（共20分）题目：基于STM32F407VET6（Cortex-M4内核），设计一个温度采集与串口发送系统，要求：（1）使用片内温度传感器（ADC1通道16），每隔1秒采集一次温度；（2）通过UART1（波特率115200，8N1）将温度值（格式：“Temp:XX.X°C”）发送至上位机；（3）使用FreeRTOS创建两个任务：采集任务（优先级2）和发送任务（优先级1），通过队列传递温度数据。要求：写出关键初始化代码（HAL库）、任务函数及必要注释。答案：```cinclude"stm32f4xx_hal.h"include"FreeRTOS.h"include"task.h"include"queue.h"/硬件初始化句柄/ADC_HandleTypeDefhadc1;UART_HandleTypeDefhuart1;QueueHandle_txTempQueue;//温度数据队列/ADC初始化（含温度传感器）/voidMX_ADC1_Init(void){ADC_ChannelConfTypeDefsConfig={0};hadc1.Instance=ADC1;hadc1.Init.ClockPrescaler=ADC_CLOCK_SYNC_PCLK_DIV4;hadc1.Init.Resolution=ADC_RESOLUTION_12B;hadc1.Init.ScanConvMode=DISABLE;//单通道hadc1.Init.ContinuousConvMode=DISABLE;//单次转换hadc1.Init.DiscontinuousConvMode=DISABLE;hadc1.Init.ExternalTrigConvEdge=ADC_EXTERNALTRIGCONVEDGE_NONE;hadc1.Init.ExternalTrigConv=ADC_SOFTWARE_START;hadc1.Init.DataAlign=ADC_DATAALIGN_RIGHT;hadc1.Init.NbrOfConversion=1;hadc1.Init.DMAContinuousRequests=DISABLE;hadc1.Init.EOCSelection=ADC_EOC_SINGLE_CONV;HAL_ADC_Init(&hadc1);/配置温度传感器通道（通道16）/sConfig.Channel=ADC_CHANNEL_TEMPSENSOR;sConfig.Rank=1;sConfig.SamplingTime=ADC_SAMPLETIME_144CYCLES;//延长采样时间提高精度HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1,&sConfig);}/UART1初始化/voidMX_USART1_UART_Init(void){huart1.Instance=USART1;huart1.Init.BaudRate=115200;huart1.Init.WordLength=UART_WORDLENGTH_8B;huart1.Init.StopBits=UART_STOPBITS_1;huart1.Init.Parity=UART_PARITY_NONE;huart1.Init.Mode=UART_MODE_TX_RX;huart1.Init.HwFlowCtl=UART_HWCONTROL_NONE;huart1.Init.OverSampling=UART_OVERSAMPLING_16;HAL_UART_Init(&huart1);}/采集任务：每隔1秒读取温度，发送至队列/voidvTempCollectTask(voidpvParameters){uint32_tadc_value;floattemperature;constTickType_txDelay=pdMS_TO_TICKS(1000);//1秒延时while(1){HAL_ADC_Start(&hadc1);//启动ADC转换HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1,100);//等待转换完成（超时100ms）adc_value=HAL_ADC_GetValue(&hadc1);/温度计算（参考STM32手册公式）/temperature=((float)adc_value3.3f/4096.0f0.76f)/0.0025f+25.0f;/发送至队列（阻塞50ms等待空间）/xQueueSend(xTempQueue,&temperature,pdMS_TO_TICKS(50));vTaskDelay(xDelay);//延时1秒}}/发送任务：从队列读取温度，通过UART发送/voidvTempSendTask(voidpvParameters){floattemp;chartx_buf[32];while(1){/从队列接收数据（永久阻塞）/if(xQueueReceive(xTempQueue,&temp,portMAX_DELAY)==pdPASS){/格式化输出（保留1位小数）/snprintf(tx_buf,sizeof(tx_buf),"Temp:%.1f°C\r\n",temp);HAL_UART_Transmit(&huart1,(uint8_t)tx_buf,strlen(tx_buf),100);//发送至串口}}}intmain(void){HAL_Init();SystemClock_Config();//假设已配置系统时钟（如168MHz）MX_ADC1_Init();MX_USART1_UART_Init();/创建队列（存储float类型，深度5）/xTempQueue=xQueueCreate(5,sizeof(float));/创建任务/xTaskCreate(vTempCollectTask,"CollectTask",256,NULL,2,NULL);xTaskCreate(vTempSendTask,"SendTask",256,NULL,1,NULL);vTaskStartScheduler();//启动调度器