单片机企业测试题及答案

单片机企业测试题及答案一、基础概念题1.简述单片机（MCU）与微处理器（MPU）的核心差异，并说明在嵌入式系统设计中如何根据需求选择两者。答案：单片机（MCU）是将CPU、RAM、ROM、定时器、I/O接口等功能模块集成在单一芯片上的微型计算机系统，侧重“片上系统”的完整性，适合实时控制、低功耗、成本敏感的场景；微处理器（MPU）仅包含CPU核心，需外接内存、存储、外设等芯片构成系统，侧重高性能计算，适用于复杂操作系统（如Linux）运行、图形处理等需求。选择时，若任务需低功耗、小体积、单一功能（如家电控制），优先MCU；若需多任务处理、网络协议栈、图形界面（如智能终端），则选择MPU。2.解释51系列单片机与ARMCortex-M3内核单片机在指令集、开发工具链及内存管理上的主要区别。答案：指令集方面，51单片机采用CISC（复杂指令集），指令长度固定（多为单字节或双字节），操作简单但效率较低；Cortex-M3采用RISC（精简指令集），支持Thumb-2混合指令集（16位/32位指令），代码密度和执行效率更高。开发工具链上，51常用KeilC51或SDCC，编译器优化能力有限；Cortex-M3多使用KeilMDK、IAR或GCC，支持更复杂的库函数和RTOS集成。内存管理上，51单片机内存地址空间分为片内RAM（通常128/256字节）、片外RAM（64KB）及特殊功能寄存器（SFR），需通过不同指令（如MOV、MOVX）访问；Cortex-M3采用统一内存映射（哈佛架构），Flash、RAM、外设寄存器均映射到32位地址空间（0x00000000-0xFFFFFFFF），可通过指针直接访问，简化了编程逻辑。3.说明单片机时钟系统中“系统时钟”“总线时钟”“外设时钟”的层级关系，并举例STM32F103系列如何通过RCC寄存器配置不同外设的时钟分频。答案：时钟系统中，系统时钟（SYSCLK）是CPU运行的核心时钟源，由内部/外部晶振（如HSI、HSE）经PLL倍频后提供；总线时钟（如AHB、APB1、APB2）由SYSCLK分频得到，分别驱动高速总线（AHB）和低速/高速外设总线（APB1/APB2）；外设时钟（如TIM、USART、ADC）则由对应总线时钟进一步分频或直接使用总线时钟。以STM32F103为例，RCC寄存器中的CFGR寄存器可配置：SYSCLK来源（HSE/PLL）；AHB分频（如SYSCLK/1）；APB1分频（如AHB/2，最大36MHz）；APB2分频（如AHB/1，最大72MHz）；外设时钟使能（如RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE)）。4.对比分析单片机程序中“代码区（Code）”“数据区（Data）”“BSS区（BlockStartedbySymbol）”的存储位置及初始化特性。答案：代码区（Code）存储编译后的机器指令，通常位于Flash中（如STM32的0x08000000起始地址），内容在编译时确定，运行时只读。数据区（Data）存储已初始化的全局变量和静态变量，如“inta=5;”，其初始值在编译时写入Flash的特定段（如.rodata），程序启动时由引导代码复制到RAM中（如0x20000000起始地址）。BSS区存储未初始化或初始化为0的全局/静态变量，如“intb;”，其空间在RAM中分配，但初始值无需从Flash复制（默认清零），可节省Flash空间。三者中，Code和Data的大小由编译时确定，BSS大小由未初始化变量数量决定。5.简述单片机低功耗模式的分类（以STM32为例），并说明在电池供电设备中如何选择休眠模式以平衡功耗与响应速度。答案：STM32低功耗模式分为睡眠模式（Sleep）、停止模式（Stop）、待机模式（Standby）。睡眠模式仅关闭CPU时钟，外设（如定时器、中断）仍运行，唤醒时间最短（μs级），功耗约mA级；停止模式关闭所有时钟（除LSI/LSE），保留RAM和寄存器数据，需重新配置时钟源唤醒，功耗约μA级；待机模式关闭所有时钟，仅保留待机电路（如RTC、WKUP引脚），RAM和寄存器数据丢失，唤醒后需重新初始化，功耗约nA级。电池供电设备中，若需频繁响应外部事件（如按键），选睡眠模式；若需较长时间无操作但需快速恢复（如传感器定时采样），选停止模式；若设备长期待机（如遥控器），选待机模式。二、硬件设计与外设操作题6.设计一个基于STM32F103的GPIO端口扩展电路，要求用74HC595（8位移位寄存器）将PA0-PA3（4个GPIO）扩展为16位输出，画出简化电路图并说明通信时序。答案：电路连接：STM32的PA0（数据）→595的DS（串行数据输入）；PA1（移位时钟）→595的SH_CP（移位寄存器时钟）；PA2（锁存时钟）→595的ST_CP（存储寄存器时钟）；PA3→595的MR（主复位，接高电平使能）；595的Q0-Q7接第一片输出，Q7’（级联输出）接第二片DS，两片级联实现16位输出。通信时序：（1）主复位MR置高，使能移位寄存器；（2）待发送数据按位（MSB或LSB优先）从DS输入，每个SH_CP上升沿将数据移位存入内部寄存器；（3）16位数据（两片级联）发送完成后，ST_CP上升沿将移位寄存器数据锁存到输出寄存器，Q0-Q15输出对应电平。7.说明如何配置STM32的UART接口实现9600bps、8位数据位、1位停止位、无校验位的异步通信，并编写初始化代码（寄存器操作，非HAL库）。答案：配置步骤：（1）使能UART和GPIO时钟：RCC->APB2ENR|=RCC_APB2ENR_USART1EN|RCC_APB2ENR_IOPAEN；（2）配置TX（PA9）为复用推挽输出（GPIOA->CRH&=~0x0F;GPIOA->CRH|=0x0B），RX（PA10）为浮空输入（GPIOA->CRH&=~0xF0;GPIOA->CRH|=0x40）；（3）设置波特率：USART1->BRR=72000000/(960016)=468.75（即0x1D4C）；（4）配置数据格式：USART1->CR1|=USART_CR1_TE|USART_CR1_RE|USART_CR1_UE（使能发送、接收、UART）；USART1->CR2&=~USART_CR2_STOP;（1位停止位）；USART1->CR1&=~USART_CR1_PCE（无校验）；（5）使能接收中断（可选）：USART1->CR1|=USART_CR1_RXNEIE；NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn)。初始化代码示例（寄存器版）：```cvoidUSART1_Init(void){RCC->APB2ENR|=0x00004001;//使能USART1和GPIOA时钟GPIOA->CRH&=0xFFFFF00F;//清除PA9/PA10原有配置GPIOA->CRH|=0x000008B0;//PA9复用推挽（50MHz），PA10浮空输入USART1->BRR=0x1D4C;//72MHz时钟，9600bpsUSART1->CR1=0x200C;//使能UART、发送、接收（8位数据）USART1->CR2=0x0000;//1位停止位}```8.某项目需用STM32的ADC模块测量0-3.3V模拟电压，要求分辨率12位，单通道单次采样，参考电压VREF+=3.3V。计算ADC的最小检测电压，并编写采样函数（寄存器操作）。答案：最小检测电压=VREF+/(2^121)=3.3V/4095≈0.806mV。采样函数步骤：（1）使能ADC时钟：RCC->APB2ENR|=RCC_APB2ENR_ADC1EN；（2）配置ADC引脚（如PA0）为模拟输入：GPIOA->CRL&=~0x0F;GPIOA->CRL|=0x00；（3）设置ADC为独立模式：ADC1->CR1&=~ADC_CR1_DUALMOD;（4）配置采样时间（如55.5周期）：ADC1->SMPR2|=ADC_SMPR2_SMP0_0|ADC_SMPR2_SMP0_1|ADC_SMPR2_SMP0_2（55.5周期）；（5）选择规则通道0：ADC1->SQR3=0x00;（6）使能ADC并校准：ADC1->CR2|=ADC_CR2_ADON;//启动ADCdelay_ms(1);//等待稳定ADC1->CR2|=ADC_CR2_RSTCAL;//复位校准while(ADC1->CR2&ADC_CR2_RSTCAL);ADC1->CR2|=ADC_CR2_CAL;//开始校准while(ADC1->CR2&ADC_CR2_CAL);（7）单次采样：ADC1->CR2|=ADC_CR2_SWSTART;//软件触发采样while(!(ADC1->SR&ADC_SR_EOC));//等待转换完成returnADC1->DR;//读取转换结果9.设计一个基于51单片机（STC89C52）的按键消抖电路，要求使用软件消抖，编写检测按键（P3.2）是否按下的函数（返回1表示按下，0表示未按下），并说明消抖原理。答案：硬件电路：按键一端接P3.2，另一端接地，按键两端并联100nF电容（硬件辅助消抖），P3.2通过10kΩ上拉电阻接VCC（5V）。软件消抖函数需检测到按键信号变化后延时10-20ms再次检测。函数实现：```cbitKey_Scan(void){staticbitkey_state=0;//按键状态机if(P3_2==0){//第一次检测到低电平（可能抖动）delay_ms(15);//延时消抖if(P3_2==0){//确认按下if(!key_state){//防止重复触发key_state=1;return1;}}}else{key_state=0;//按键释放}return0;}```消抖原理：机械按键闭合/断开时会产生5-10ms的抖动，通过第一次检测到信号变化后延时避开抖动期，再次检测确认信号稳定，避免误触发。10.分析STM32定时器（TIM3）的PWM输出模式，要求在PA6（CH1）输出频率1kHz、占空比30%的方波，计算ARR和CCR1的值（假设APB1时钟为36MHz），并编写初始化代码（HAL库）。答案：PWM频率=APB1时钟/(ARR+1)(PSC+1)。APB1时钟36MHz，若PSC=0（不分频），则ARR=36e6/(1e3)1=35999。但通常PSC可调整以减小ARR值，如PSC=35（36MHz/(35+1)=1MHz），则ARR=1e6/1e3-1=999。占空比=CCR1/(ARR+1)100%，30%占空比时CCR1=0.3(999+1)=300。HAL库初始化代码：```cTIM_HandleTypeDefhtim3;voidTIM3_PWM_Init(void){TIM_OC_InitTypeDefsConfigOC;htim3.Instance=TIM3;htim3.Init.Prescaler=35;//36MHz/(35+1)=1MHzhtim3.Init.CounterMode=TIM_COUNTERMODE_UP;htim3.Init.Period=999;//1MHz/1000=1kHzhtim3.Init.ClockDivision=TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;HAL_TIM_PWM_Init(&htim3);sConfigOC.OCMode=TIM_OCMODE_PWM1;sConfigOC.Pulse=300;//30%占空比sConfigOC.OCPolarity=TIM_OCPOLARITY_HIGH;sConfigOC.OCFastMode=TIM_OCFAST_DISABLE;HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim3,&sConfigOC,TIM_CHANNEL_1);HAL_TIM_PWM_Start(&htim3,TIM_CHANNEL_1);//启动PWM输出}```三、综合应用题11.设计一个基于STM32F103的温湿度监测系统，要求：（1）使用DHT11传感器采集温湿度（单总线协议）；（2）通过LCD1602显示数据（I2C接口，需扩展PCF8574模块）；（3）异常情况（温度>35℃或湿度>80%）通过蜂鸣器（PB5）报警；（4）每5秒采集一次数据。请完成以下任务：a.画出系统硬件连接图（关键信号标注）；b.编写DHT11数据读取函数（包含起始信号、响应信号、数据接收流程）；c.编写LCD1602显示函数（发送命令/数据，显示温湿度）；d.说明如何实现5秒定时（使用定时器中断）。答案：a.硬件连接图关键信号：STM32：PA0（DHT11数据引脚）、PB6（I2CSCL）、PB7（I2CSDA）、PB5（蜂鸣器）；DHT11：VCC（3.3-5V）、GND、DATA（上拉10kΩ电阻到VCC）；LCD1602（PCF8574）：VCC（5V）、GND、SCL（PB6）、SDA（PB7）；蜂鸣器：PB5接NPN三极管基极，集电极接蜂鸣器正极，负极接地。b.DHT11读取函数（伪代码）：```cdefineDHT11_PINPA0u8DHT11_Read_Data(u8temp,u8humi){u8buf[5],i;//发送起始信号GPIO_SetBits(GPIOA,DHT11_PIN);delay_ms(20);GPIO_ResetBits(GPIOA,DHT11_PIN);delay_ms(20);//拉低至少18msGPIO_SetBits(GPIOA,DHT11_PIN);delay_us(30);//释放总线，等待响应//检测响应信号if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,DHT11_PIN))return1;//无响应while(!GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,DHT11_PIN));//等待拉低while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,DHT11_PIN));//等待拉高//读取40位数据for(i=0;i<40;i++){while(!GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,DHT11_PIN));//等待高电平delay_us(40);if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,DHT11_PIN))buf[i/8]|=(1<<(7-i%8));//高位在前while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,DHT11_PIN));//等待低电平}//校验数据if(buf[0]+buf[1]+buf[2]+buf[3]!=buf[4])return2;humi=buf[0];//湿度整数部分temp=buf[2];//温度整数部分return0;}```c.LCD1602显示函数（I2C接口，基于PCF8574）：```cvoidLCD_Send_Command(u8cmd){u8data=cmd|0x08;//背光亮，RS=0（命令）I2C_Start();I2C_Send_Byte(PCF8574_ADDR);//从机地址I2C_Send_Byte(data&0xF0);//高4位I2C_Send_Byte(data&0xF0|0x04);//使能位（E=1）delay_us(1);I2C_Send_Byte(data&0xF0);//E=0delay_us(50);I2C_Send_Byte((data<<4)&0xF0);//低4位I2C_Send_Byte((data<<4)&0xF0|0x04);delay_us(1);I2C_Send_Byte((data<<4)&0xF0);delay_us(50);I2C_Stop();}voidLCD_Show_Data(u8x,u8y,charstr){u8addr=(y==0)?(0x80+x):(0xC0+x);LCD_Send_Command(addr);while(str){I2C_Start();I2C_Send_Byte(PCF8574_ADDR);I2C_Send_Byte(str|0x0C);//RS=1（数据），背光亮I2C_Send_Byte(str|0x0C|0x04);//E=1delay_us(1);I2C_Send_Byte(str|0x0C);//E=0delay_us(50);I2C_Stop();str++;}}```d.5秒定时实现：使用TIM2定时器，APB1时钟36MHz，预分频器PSC=35999（36MHz/(35999+1)=1kHz），自动重装载值ARR=4999（1kHz/5000=0.5Hz，即2秒？需调整）。正确计算：5秒定时需计数51000ms=5000次1ms中断。若TIM2时钟36MHz，PSC=35999（36MHz/(35999+1)=1kHz，即1ms中断一次），则ARR=4999（1ms5000=5秒）。初始化TIM2中断：```cvoidTIM2_Init(void){TIM_HandleTypeDefhtim2;htim2.Instance=TIM2;htim2.Init.Prescaler=35999;htim2.Init.Period=4999;htim