Zynq + FreeRTOS 笔试题3-优快云博客

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Zynq + FreeRTOS 笔试题3

一、基础知识（每题2分，共20分）

Zynq-7000系列芯片的PS和PL分别指什么？它们如何协作？
FreeRTOS中任务优先级范围是多少？优先级数值越大表示优先级越高还是越低？
AXI4-Lite和AXI4-Stream协议的主要区别是什么？各适用于什么场景？
在Zynq中，如何通过Vivado配置GPIO外设并生成设备树（DTS）？
FreeRTOS的xTaskCreate()函数参数中uxStackDepth的单位是什么？如何确定合适的栈大小？
Zynq的双核（Cortex-A9）运行FreeRTOS时，如何实现核间通信（IPC）？列举两种方法。
解释DMA在Zynq PS-PL数据传输中的作用，并说明如何通过AXI DMA IP核实现零拷贝传输。
FreeRTOS的软件定时器回调函数中能否调用vTaskDelay()？为什么？
Zynq的FCLK_CLK0时钟默认频率是多少？如何修改其频率并在FreeRTOS中使用？
在FreeRTOS中，如何防止任务优先级反转？请说明优先级继承机制的原理。

二、综合应用（共50分）

系统设计题（15分）
设计一个基于Zynq+FreeRTOS的工业传感器采集系统，要求：
- PS端通过UART接收PL端ADC采集的数据（1kHz采样率）。
- 数据存储到SD卡（FAT32格式），存储满后循环覆盖。
- 通过以太网每5秒上传一次平均值到服务器。
  请画出系统架构图，并说明各模块的实现方法（包括FreeRTOS任务划分、外设配置、同步机制）。
代码编写题（15分）
编写一个FreeRTOS任务，实现以下功能：
- 任务1：从消息队列接收字符串数据（最大长度64字节），收到"EMERGENCY"时立即触发紧急处理函数。
- 任务2：每200ms向队列发送一次状态数据（“NORMAL"或"WARNING”）。
  要求使用信号量保证队列访问的线程安全，并处理队列满的情况。
性能优化题（10分）
某系统使用Zynq PL端实现图像处理算法，PS端通过FreeRTOS任务接收处理后的数据并显示。发现显示延迟高达100ms，请分析可能瓶颈并提出至少3种优化方案。
双核协作题（10分）
Zynq双核（CPU0和CPU1）均运行FreeRTOS，需共享一个长度为100的浮点数组。
- 如何确保双核读写数据的一致性？
- 编写代码片段，使用OpenAMP框架实现CPU0向CPU1发送中断通知数据就绪。

三、故障排查（共30分）

问题现象（5分）
某Zynq系统运行FreeRTOS时，任务A（优先级3）和任务B（优先级2）均阻塞在xQueueReceive()，但消息队列中已有数据。请分析可能原因。

代码诊断（10分）
以下代码用于PL端触发中断后，PS端读取数据并通知FreeRTOS任务：

void ISR_Handler() {  
    BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;  
    uint32_t data = XGpio_DiscreteRead(&gpio, 1);  
    xQueueSendFromISR(xQueue, &data, &xHigherPriorityTaskWoken);  
    // 缺失代码  
}

发现中断只能触发一次，后续无法响应。请指出缺失的关键代码并修复。

内存问题（8分）
系统运行一段时间后出现HardFault，经查是某个任务栈溢出。
- 如何在FreeRTOS中动态监测任务栈使用情况？
- 如何通过修改链接脚本（lscript.ld）增加栈空间？
时序分析（7分）
使用ILA抓取AXI总线信号时，发现PL端写入PS端DDR的数据偶尔丢失。
- 列举3种可能导致数据丢失的原因。
- 如何通过Vivado设置约束保证时序收敛？

四、参考答案与评分标准

（以下为简略答案，实际需详细展开）

一、基础知识

PS：处理系统（ARM Cortex-A9），PL：可编程逻辑（FPGA）。PS负责控制流，PL加速数据流。
0~(configMAX_PRIORITIES-1)，数值越大优先级越高。
AXI4-Lite：寄存器映射控制，AXI4-Stream：高速流数据。
Vivado Block Design添加GPIO IP → Generate Output Products → 导出到Vitis生成DTS。
单位：字（4字节）。通过uxTaskGetStackHighWaterMark()确定。

二、综合应用

架构图需包含：
- PL：ADC控制+AXI DMA → PS DDR → FreeRTOS任务（UART解析、SD存储、以太网发送）。
- 任务优先级：以太网 > SD存储 > UART解析。
- 同步机制：信号量保护SD卡访问，事件组触发上传。
代码要点：
- 使用xQueueCreate() + xSemaphoreCreateMutex()。
- 任务1中检查队列并处理紧急信号，任务2周期发送。