嵌入式系统笔试题（Zynq/FreeRTOS/LwIP/Cache/硬件设计）

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嵌入式系统笔试题（Zynq/FreeRTOS/LwIP/Cache/硬件设计）

时间：90分钟  总分：100分

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一、基础知识（共30分）

1. 选择题（每题2分，共10分）
   （1）Zynq-7000的PS和PL之间通过哪种总线协议进行高速数据传输？
   A. AXI4 B. I2C C. SPI D. UART
   （2）FreeRTOS中，任务优先级数值越大表示优先级：
   A. 越高 B. 越低 C. 与数值无关 D. 由调度器动态调整
   （3）LwIP协议栈中，用于动态IP地址分配的协议是：
   A. DHCP B. DNS C. ARP D. ICMP
   （4）Cache一致性问题的根本原因是：
   A. 内存带宽不足 B. 多核共享数据 C. 中断延迟 D. 电源噪声
   （5）硬件设计中，以下哪种方法可减少信号反射？
   A. 增加滤波电容 B. 端接电阻匹配 C. 降低时钟频率 D. 使用差分信号

2. 填空题（每空1分，共10分）
   （1）Zynq双核间通信的两种常用方式是______和______。
   （2）FreeRTOS中，任务栈溢出检测需在FreeRTOSConfig.h中启用宏______。
   （3）LwIP的TCP窗口大小通过宏______配置，默认值为______。
   （4）Cache的Write-Through和Write-Back策略的主要区别是______。
   （5）PCB布线中，高速信号线应遵循______原则以避免串扰。

3. 简答题（每题5分，共10分）
   （1）简述Zynq的AXI DMA传输流程（从PL到PS DDR）。
   （2）FreeRTOS中，如何通过互斥锁（Mutex）解决优先级反转问题？

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二、综合应用（共50分）

1. 系统设计题（20分）
   设计一个基于Zynq的智能温控系统，要求：

   • PL端通过I2C读取温度传感器数据（MAX30205），采样率10Hz。
   • PS端运行FreeRTOS，任务1负责数据采集，任务2通过LwIP上传数据至云平台（HTTP协议）。
   • 当温度超过阈值时，PL端触发PWM控制风扇转速。
     请完成以下内容：
     （1）画出系统架构图（含PS/PL模块、任务划分、通信接口）。
     （2）编写任务1的伪代码（包含I2C驱动调用和队列发送）。

2. 代码优化题（15分）
   以下代码用于Zynq PS端通过DMA接收PL端数据，但存在性能问题：

   void task_receive(void *pv) {  
       while (1) {  
           uint8_t buf[1024];  
           XDmaPs_Start(&dma, buf, 1024, DMA_DEV_TO_MEM);  
           while (!XDmaPs_IsDone(&dma));  // 等待DMA完成  
           process_data(buf);  
       }  
   }  
   

   （1）指出代码中的性能瓶颈并说明原因。
   （2）优化代码，使用FreeRTOS的Notify机制实现异步DMA传输。

3. Cache与内存管理题（15分）
   某系统通过DMA将PL端数据写入PS DDR，但PS端任务读取时偶尔出现数据错误。
   （1）分析可能原因，并说明Cache一致性问题的解决方法。
   （2）编写代码片段，确保DMA传输前后Cache数据一致性（使用Xilinx库函数）。

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三、故障排查（共20分）

1. 网络通信故障（8分）
   系统通过LwIP发送TCP数据包时，出现频繁超时重传。
   （1）列举3种可能的硬件或软件原因。
   （2）如何通过Wireshark抓包分析问题？

2. 任务调度异常（6分）
   FreeRTOS中，任务A（优先级4）和任务B（优先级3）均阻塞在信号量xSemaphoreTake()，但信号量已被释放。请分析可能原因。

3. 硬件时序问题（6分）
   PL端逻辑通过AXI总线写入PS端寄存器时，偶发数据丢失。
   （1）可能原因有哪些？
   （2）如何在Vivado中约束时序以解决此问题？

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四、参考答案与评分标准

一、基础知识

1. 选择题：A, A, A, B, B
2. 填空题：
   （1）共享内存、OpenAMP （2）configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW 
   （3）TCP_WND, 2144 （4）是否立即写回内存 （5）3W原则

二、综合应用

1. 系统设计题：

   • 架构图需包含：I2C控制器、AXI DMA、FreeRTOS任务、LwIP Socket、PWM IP核。
   • 伪代码示例：

     void task1(void *pv) {  
         while (1) {  
             float temp = i2c_read_temp();  
             xQueueSend(xQueue, &temp, portMAX_DELAY);  
             vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(100));  
         }  
     }  
     

2. 代码优化题：
   （1）瓶颈：忙等待DMA完成，浪费CPU时间。
   （2）优化代码：

   void dma_callback() {  
       xTaskNotifyGive(task_receive);  
   }  
   void task_receive(void *pv) {  
       XDmaPs_SetCallback(&dma, dma_callback);  
       while (1) {  
           ulTaskNotifyTake(pdTRUE, portMAX_DELAY);  
           process_data(buf);  
       }  
   }  
   

三、故障排查

1. 网络通信故障：
   （1）原因：MAC地址冲突、ARP表错误、MTU不匹配。
   （2）抓包方法：过滤目标IP，检查SYN/ACK和重传包。

2. 任务调度异常：信号量被高优先级任务抢占，或信号量计数错误。

3. 硬件时序问题：
   （1）原因：时钟偏移、建立/保持时间违例、信号反射。
   （2）约束方法：set_max_delay、set_false_path。

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评分标准：

• 基础知识：答案准确，概念清晰。
• 综合应用：设计合理，代码无语法错误，优化方案有效。
• 故障排查：分析逻辑严谨，解决方案可行。

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注：本试题适用于中高级嵌入式工程师岗位，建议根据实际需求调整难度和知识点权重。