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Zynq + FreeRTOS 笔试题1

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一、基础知识题

1. Zynq 架构

   • Zynq-7000 的 PS（Processing System）和 PL（Programmable Logic）分别负责什么功能？
   • AXI 总线协议中，AXI4-Lite 和 AXI4-Stream 的主要区别是什么？

2. FreeRTOS 核心机制

   • FreeRTOS 的任务优先级范围是多少？如何避免优先级反转？
   • 解释 xTaskCreate() 函数的参数含义，并说明静态任务和动态任务创建的区别。

3. 中断与内存管理

   • 在 Zynq 中，如何配置 GPIO 中断并绑定到 FreeRTOS 任务？
   • FreeRTOS 的 pvPortMalloc() 和标准库的 malloc() 有何区别？为什么嵌入式系统推荐静态内存分配？

4. 通信机制

   • FreeRTOS 的队列（Queue）和信号量（Semaphore）分别适用于什么场景？
   • 如何在 FreeRTOS 中实现任务间双向通信？

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二、综合应用题

5. 多任务设计

   • 设计一个数据采集系统：
     • 任务1：每 100ms 通过 SPI 读取传感器数据（PL 端实现 SPI 控制器）。
     • 任务2：将数据通过 UART 发送到上位机，发送频率为 10Hz。
     • 任务3：监控系统温度，超过阈值时触发报警（优先级最高）。
       问题：
     • 如何分配任务优先级？
     • 如何保证 SPI 和 UART 的互斥访问？

6. 中断与实时性

   • 在 Zynq 中，PL 端 FPGA 逻辑检测到异常信号后，通过中断通知 PS 端 FreeRTOS 任务处理。
     问题：
     • 如何配置中断服务程序（ISR）并唤醒 FreeRTOS 任务？
     • 若中断频率为 1kHz，如何避免任务响应延迟？

7. 性能优化

   • 系统需要处理 1MB/s 的实时数据流（PL 端 DMA 传输到 PS 内存）。
     问题：
     • 如何设计 FreeRTOS 任务和缓冲区结构？
     • 如何避免内存拷贝，实现零拷贝（Zero-Copy）传输？

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三、编程题

8. FreeRTOS 任务同步

   • 编写代码实现以下功能：
     • 任务A 每 500ms 生成一个随机数，通过队列发送给任务B。
     • 任务B 接收数据并累加，当累加值超过 100 时，通过信号量通知任务C。
     • 任务C 输出警告信息并复位累加值。

9. Zynq PL-PS 协同设计

   • 编写代码框架，实现以下功能：
     • PL 端通过 AXI-GPIO 读取按键状态，触发 PS 端 FreeRTOS 中断。
     • PS 端中断服务程序发送消息到任务，任务控制 PL 端 LED 闪烁频率。

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四、分析题

10. 系统调试与优化

    • 某系统使用 FreeRTOS 后出现随机死机，日志显示堆栈溢出。
      问题：
      • 可能的原因有哪些？如何定位问题？
      • 如何通过 uxTaskGetStackHighWaterMark() 进行堆栈监控？

11. 资源冲突

    • 在 Zynq 中，PS 端双核 Cortex-A9 同时运行 FreeRTOS，共享一个硬件资源（如 I2C 控制器）。
      问题：
      • 如何设计互斥机制？
      • 是否可以使用自旋锁（Spinlock）？为什么？

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五、开放设计题

12. 综合系统设计
    • 设计一个智能家居网关：
      • 功能：通过 WiFi 接收指令，控制 PL 端 PWM 调光，采集温湿度数据并上传云端。
      • 要求：
        • 使用 FreeRTOS 管理多任务（网络、控制、采集）。
        • PL 端实现 PWM 和传感器接口（Verilog 或 HLS）。
          问题：
      • 画出软件架构图，标注任务优先级和通信机制。
      • 描述关键性能优化点（如 DMA 使用、低功耗设计）。

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考察重点

• 基础知识：Zynq 架构、FreeRTOS 任务/中断/通信机制。
• 综合应用：多任务协同、中断处理、性能优化。
• 问题解决：调试能力、资源冲突处理、系统级设计。

此试题用来评估候选人对 Zynq+FreeRTOS 的掌握深度及工程实践能力。