虹软科技 嵌入式开发软件 二面

1. 深入聊聊你的项目，从需求分析到系统设计的完整过程

项目背景

我做的是一个智能环境监测系统，用于工业现场的温湿度、气体浓度等参数的实时监测和数据上报。系统部署了50个监测节点，每个节点每分钟采集一次数据并上报到云平台。

需求分析

项目的核心需求：

• 实时采集多种传感器数据
• 通过4G网络上报到云平台
• 支持远程配置和固件升级
• 对功耗有要求，要支持电池供电，续航至少3个月
• 对可靠性有要求，要保证数据不丢失，设备故障要能自动恢复

硬件选型

主控芯片： STM32F407

• 有丰富的外设接口
• 性能足够，功耗可接受

通信模块： 4G模块

• 支持TCP/IP和MQTT协议

传感器： 数字接口传感器

• 使用I2C或SPI通信
• 精度和稳定性都比较好

电源设计：

• 采用锂电池加太阳能板
• 支持边充电边工作
• 使用低功耗设计，MCU大部分时间处于休眠状态，定时唤醒采集数据

软件架构设计

软件采用分层架构：

BSP层（板级支持包）：

• 时钟配置
• GPIO初始化等

驱动层：

• 传感器驱动
• 4G模块驱动
• Flash驱动等

中间层：

• 协议栈
• 文件系统
• 数据管理等

应用层：

• 数据采集
• 数据上报
• 远程配置等业务逻辑

任务管理（使用FreeRTOS）：

• 数据采集任务：定时读取传感器数据，存储到本地Flash
• 数据上报任务：从Flash读取数据，通过MQTT上报到云平台
• 通信管理任务：负责4G模块的初始化、网络连接、断线重连等

关键技术难点

难点1：低功耗设计

使用了多种低功耗技术：

• MCU大部分时间处于Stop模式，功耗只有几十微安
• 使用RTC定时唤醒，采集数据后立即休眠
• 传感器使用低功耗型号，不用时断电
• 4G模块使用PSM省电模式，不通信时进入休眠

优化效果： 整机平均功耗降到5mA以下，电池续航达到4个月

难点2：数据可靠性

使用了多重保障机制：

• 数据采集后先存储到本地Flash，上报成功后才删除
• 使用环形缓冲区管理数据，满了就覆盖最老的数据
• 使用MQTT的QoS 1保证消息至少送达一次
• 云平台收到数据后返回确认，设备收到确认才删除本地数据

难点3：远程升级

实现了Bootloader，支持通过4G网络下载固件升级：

• Bootloader占用前32KB Flash
• 应用程序从32KB开始
• 升级时，Bootloader下载新固件到备份区
• 校验通过后复制到应用区，然后跳转到应用程序
• 如果升级失败，可以回滚到旧版本

通信协议设计

设备和云平台使用MQTT协议通信：

• 设备订阅主题device/设备ID/config接收配置命令
• 发布到主题device/设备ID/data上报数据
• 数据格式使用JSON，包含设备ID、时间戳、传感器数据等
• 为了节省流量，使用简短的字段名，比如用t表示temperature
• 使用心跳机制保持连接，每5分钟发送一次心跳
• 如果连接断开，自动重连，最多重试3次

测试和优化

实验室测试：

• 进行了长时间测试，模拟各种异常情况
• 测试网络断开、服务器故障、传感器异常等场景
• 验证系统的可靠性

现场优化：

• 通过日志分析发现了一些问题
• 比如某些环境下4G信号不稳定，导致频繁重连
• 优化了重连策略，增加了重连间隔，减少了功耗
• 通过远程升级功能，修复了几个bug，优化了性能

用户反馈： 系统运行稳定，数据准确，满足了项目需求

项目成果

• 系统已经稳定运行半年
• 50个节点的数据上报成功率达到99.5%以上
• 电池续航达到4个月，满足了设计要求
• 远程升级功能使用了5次，都成功完成
• 客户对系统很满意，计划扩大部署规模

2. ARM Cortex-M的异常和中断机制，NVIC的配置

异常和中断

ARM Cortex-M把所有的异常事件统称为异常，包括：

• 复位、NMI、硬件故障等系统异常
• 外部中断

异常号：

• 系统异常的异常号是负数
• 外部中断的异常号从0开始

优先级：

• 每个异常有一个优先级，数字越小优先级越高
• 优先级分为抢占优先级和子优先级
• 抢占优先级决定是否可以嵌套
• 子优先级决定同时发生时的处理顺序

NVIC（嵌套向量中断控制器）

NVIC负责管理外部中断，包括：

• 中断的使能
• 优先级配置
• 挂起状态等

每个中断有独立的使能位、挂起位、活动位。

中断嵌套：

• NVIC支持中断嵌套，高优先级中断可以打断低优先级中断
• 但有一个例外：如果两个中断的抢占优先级相同，后来的中断不能打断先来的中断，要等它执行完

优先级分组

Cortex-M支持优先级分组，把优先级位分为抢占优先级和子优先级。

通过AIRCR寄存器的PRIGROUP字段配置分组。比如STM32有4位优先级，可以配置为：

• 4位抢占优先级 + 0位子优先级
• 3位抢占优先级 + 1位子优先级
• 2位抢占优先级 + 2位子优先级（常用）
• 等等

一般配置为2位抢占优先级2位子优先级，这样有4个抢占级别，每个级别有4个子级别。

中断配置步骤

第一步：配置优先级分组

• 调用NVIC_SetPriorityGrouping函数
• 一般在系统初始化时配置一次

第二步：配置中断优先级

• 调用NVIC_SetPriority函数，指定中断号和优先级
• 优先级是一个8位数字，高位是抢占优先级，低位是子优先级

第三步：使能中断

• 调用NVIC_EnableIRQ函数，指定中断号
• 也可以用NVIC_DisableIRQ函数禁用中断

第四步：配置外设的中断使能位

• 每个外设有自己的中断使能寄存器
• 比如USART有RXNE中断使能位，TIM有更新中断使能位

中断处理流程

1. 外设触发中断
2. NVIC检查中断是否使能，是否被屏蔽
3. 如果可以响应，CPU保存当前状态到栈，包括R0-R3、R12、LR、PC、xPSR等寄存器
4. CPU从向量表读取中断服务程序的地址，跳转执行
5. 中断服务程序执行完后，返回指令会自动恢复之前保存的寄存器，返回被中断的程序

中断延迟

硬件延迟：

• 从中断触发到CPU开始执行中断服务程序的时间
• Cortex-M3/M4大约是12个时钟周期

软件延迟：

• 中断服务程序的执行时间
• 要尽量缩短中断服务程序，只做必要的处理
• 复杂的处理放到任务中

中断安全

在中断和任务之间共享数据时，要注意数据竞争：

方法1：使用临界区保护

• 调用taskENTER_CRITICAL和taskEXIT_CRITICAL

方法2：关闭中断

• 但要尽快打开，避免影响实时性

方法3：使用FreeRTOS中断安全API

• FreeRTOS提供了中断安全的API，以FromISR结尾
• 比如xSemaphoreGiveFromISR、xQueueSendFromISR等
• 在中断中只能调用这些API，不能调用普通的API

3. DMA的工作原理，如何配置DMA传输？

DMA概念

DMA是Direct Memory Access的缩写，直接内存访问。它可以在外设和内存之间直接传输数据，不需要CPU参与。这样可以释放CPU，让CPU做其他工作，提高系统效率。

DMA的优势

减少CPU负担：

• 比如串口接收数据，如果用中断方式，每收到一个字节就触发一次中断，CPU要频繁响应中断
• 如果用DMA，可以一次传输一批数据，只在传输完成时触发一次中断

传输速度快：

• 因为不需要CPU参与，没有上下文切换的开销

降低功耗：

• DMA可以在CPU休眠时工作，进一步降低功耗

DMA的工作模式

传输方向（三种）：

1. 外设到内存（比如ADC采集数据到内存）
2. 内存到外设（比如内存数据发送到USART）
3. 内存到内存（比如数据拷贝）

工作模式（两种）：

1. 正常模式：传输完成后停止，需要重新配置才能再次传输
2. 循环模式：传输完成后自动重新开始，适合连续采集的场景

其他特性：

• DMA支持不同的数据宽度，可以是字节、半字、字
• 源地址和目标地址可以配置为递增、递减或固定

DMA配置步骤

第一步：使能DMA时钟

• 调用RCC_AHBPeriphClockCmd函数

第二步：配置DMA通道

• 填充DMA_InitTypeDef结构体
• 包括外设地址、内存地址、传输方向、数据宽度、传输数量等

第三步：配置DMA中断

• 如果需要在传输完成时得到通知
• 使能传输完成中断，配置NVIC

第四步：使能DMA通道

• 调用DMA_Cmd函数

第五步：配置外设的DMA使能位

• 每个外设有自己的DMA使能寄存器
• 比如USART有DMAT和DMAR位，ADC有DMA位

DMA使用示例

串口DMA接收：

• 配置DMA从USART的数据寄存器传输到内存缓冲区，使用循环模式
• 这样串口接收的数据会自动存储到缓冲区，不需要CPU参与

ADC DMA采集：

• 配置DMA从ADC的数据寄存器传输到内存数组，使用循环模式
• 配置ADC连续转换模式，每次转换完成触发DMA传输
• 这样可以连续采集ADC数据，不需要CPU参与

DMA的注意事项

1. DMA和CPU同时访问内存的问题

• 如果DMA正在传输数据到缓冲区，CPU同时读取缓冲区，可能读到不完整的数据
• 可以使用双缓冲机制，DMA写一个缓冲区时，CPU读另一个缓冲区

2. 缓存一致性问题

• 在有缓存的MCU上，DMA传输的数据可能在缓存中，没有写回内存
• 要在DMA传输前刷新缓存，传输后使缓存失效

3. DMA传输完成的判断

• 可以使用中断方式，在传输完成中断中处理
• 也可以使用轮询方式，查询DMA的传输完成标志

4. Flash的读写操作，如