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32单片机从入门到精通之软件编程——通信协议(十一)

article 2025/1/8 18:17:04

只要还有呼吸，就不可以停下前进的脚步。无论前方是什么样的困难和挑战，我们都要勇敢地面对。成功从来不会轻易降临，它是需要我们用汗水和努力去争取的。人生就像一场马拉松，只有坚持不懈地奔跑，才能到达终点。在每一次的挫折和困境中，我们都要坚持信念，坚持梦想。不管遇到什么困难，我们都要相信自己的能力和潜力。只要心中有梦想，就能不停地努力，让每一次的失败都成为我们前进的动力。不要被别人的质疑和嘲笑所迷惑，只要相信自己，努力奋斗，就一定能实现自己的目标。每一次的努力都是一次进步，每一次的失败都是一次学习。相信自己的努力，相信自己的梦想，让我们勇敢地追逐，不停地前进。励志不在于别人给予的赞许，而在于自己对自己的肯定。只有不断超越自己，才能走得更远，达到更高的高度。无论前路如何艰难，我们都要勇往直前，永不放弃，永远坚持。因为只有坚持不懈，才能赢得未来的辉煌。

目录

上一张试卷讲解

一、选择题（每题2分，共20分）

二、简答题（每题5分，共20分）

三、编程题（每题15分，共30分）

四、设计题（共30分）

知识点

1. UART（通用异步收发传输器）

2. I2C（内部集成电路）

3. SPI（串行外设接口）

4. TCP/IP栈

5. MQTT（消息队列遥测传输）

总结

试卷

一、选择题（每题2分，共40分）

二、简答题（每题10分，共30分）

三、编程题（每题15分，共30分）

上一张试卷讲解

一、选择题（每题2分，共20分）

  1. 在RTOS中，什么是“任务”？

    • B) 一个轻量级线程

  2. 哪种调度器类型允许高优先级的任务中断低优先级的任务执行？

    • B) 抢占式调度器

  3. 下列哪一项不是常见的调度算法？

    • D) 最长作业优先（LJF）

  4. 实时调度理论中，哪种方法是基于任务周期频率来分配优先级？

    • C) 速率单调调度（RMS）

  5. 信号量主要用于什么目的？

    • C) 同步任务间的操作

  6. 在FreeRTOS中，哪个函数用于创建新任务？

    • D) xTaskCreate

  7. FreeRTOS中的vTaskDelay函数的作用是什么？

    • C) 暂停当前任务一段时间

  8. 中断处理在RTOS中通常用来做什么？

    • A) 触发任务的创建或改变现有任务的状态

  9. 动态内存分配可能会导致的问题是什么？

    • C) 内存碎片化

  10. 为了节能，现代RTOS支持哪些模式？

    • B) 活动模式和低功耗模式
二、简答题（每题5分，共20分）

  1. 解释什么是抢占式调度器，并说明它与协作式调度器的区别。

     

    抢占式调度器允许更高优先级的任务打断正在运行的较低优先级任务，从而获得CPU控制权。而协作式调度器要求当前任务自愿放弃CPU控制权，其他任务才能开始执行。因此，抢占式调度器能够提供更精确的时间响应，适合实时应用；协作式调度器则较为简单，但可能不适合对时间敏感的应用。

  2. 描述一下多级反馈队列调度算法的工作原理。

     

    多级反馈队列调度算法使用多个不同优先级的队列。每个队列有自己的时间片长度，通常较高级别的队列有更短的时间片。当一个任务首次到达时，它被放置在最高优先级队列中。如果任务在一个时间片内完成，则退出；否则，它将被移动到下一个较低优先级的队列。这种机制可以保证短期任务快速完成，同时避免长期任务饥饿。

  3. 为什么在实时系统中使用最早的截止时间优先（EDF）调度策略？

     

    EDF是一种动态优先级调度算法，它根据任务的截止时间来决定任务的优先级——越早到期的任务优先级越高。这种方法能确保所有任务都在其期限内完成，非常适合具有严格时限要求的实时系统，因为它最大限度地减少了错过期限的可能性。

  4. 在RTOS中，如何通过任务间通信机制确保数据的一致性和同步？

     

    RTOS提供了多种机制如信号量、互斥锁、事件标志、消息队列等，以确保任务间的同步和数据一致性。例如，使用互斥锁可以保护共享资源免受并发访问的影响；信号量可用于协调任务之间的顺序；消息队列则允许安全地传递数据。正确选择和应用这些机制对于构建可靠、高效的多任务系统至关重要。

三、编程题（每题15分，共30分）
  1. 编写一段C代码，创建两个任务：一个作为生产者，另一个作为消费者。生产者生成随机数并将其发送到队列中；消费者从队列中接收数据并打印出来。请包括必要的头文件导入和错误检查。
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "queue.h"
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

// 定义队列句柄
QueueHandle_t xQueue;

// 生产者任务
void vProducerTask(void *pvParameters) {
    uint32_t ulRandomNumber;
    while (1) {
        ulRandomNumber = rand(); // 生成随机数
        if (xQueueSend(xQueue, &ulRandomNumber, portMAX_DELAY) != pdPASS) {
            // 发送失败处理...
            printf("Failed to send data to queue.\n");
        }
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)); // 每秒发送一次
    }
}

// 消费者任务
void vConsumerTask(void *pvParameters) {
    uint32_t ulReceivedValue;
    while (1) {
        if (xQueueReceive(xQueue, &ulReceivedValue, portMAX_DELAY) == pdPASS) {
            printf("Received value: %lu\n", ulReceivedValue);
        } else {
            // 接收失败处理...
            printf("Failed to receive data from queue.\n");
        }
    }
}

int main(void) {
    // 创建队列
    xQueue = xQueueCreate(10, sizeof(uint32_t));
    if (xQueue == NULL) {
        // 队列创建失败处理...
        printf("Failed to create queue.\n");
        for (;;);
    }

    // 创建生产者和消费者任务
    if (xTaskCreate(vProducerTask, "Producer", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, tskIDLE_PRIORITY + 1, NULL) != pdPASS ||
        xTaskCreate(vConsumerTask, "Consumer", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, tskIDLE_PRIORITY + 1, NULL) != pdPASS) {
        // 任务创建失败处理...
        printf("Failed to create tasks.\n");
        for (;;);
    }

    // 启动调度器
    vTaskStartScheduler();

    // 如果调度器启动失败，程序不应该到达这里。
    for (;;);
}
  1. 使用FreeRTOS实现一个简单的定时器功能，该定时器每隔5秒触发一次回调函数，在回调函数中打印一条消息。请包含完整的代码实现，包括定时器的创建、启动和回调函数的定义。
#include "FreeRTOS.h"
#include "timers.h"
#include <stdio.h>

// 定义定时器回调函数
void vTimerCallback(TimerHandle_t xTimer) {
    // 这里是定时器到期后的动作
    printf("Timer expired!\n");
}

int main(void) {
    TimerHandle_t xTimer;

    // 创建一个一次性定时器，5秒后触发
    xTimer = xTimerCreate("OneShotTimer", // 名字
                          pdMS_TO_TICKS(5000), // 5秒超时
                          pdTRUE, // 设置为自动重装
                          (void *)0, // 定时器ID
                          vTimerCallback); // 回调函数

    if (xTimer != NULL) {
        // 启动定时器
        if (xTimerStart(xTimer, 0) != pdPASS) {
            // 启动定时器失败处理...
            printf("Failed to start timer.\n");
            for (;;);
        }
    } else {
        // 定时器创建失败处理...
        printf("Failed to create timer.\n");
        for (;;);
    }

    vTaskStartScheduler();

    // 如果调度器启动失败，程序不应该到达这里。
    for (;;);
}
四、设计题（共30分）

设计一个小型嵌入式系统，该系统需要同时处理多个传感器输入（如温度、湿度等），并将数据发送到远程服务器。

设计方案：

  • 任务划分：

    • 传感器读取任务：负责定期读取各个传感器的数据，并将它们放入共享缓冲区或队列中。
    • 数据处理任务：从共享缓冲区或队列中获取传感器数据，进行必要的计算或格式转换，准备传输。
    • 网络通信任务：负责将处理好的数据打包并通过网络发送给远程服务器。
    • 监控/维护任务：用于监控系统的健康状态，记录日志信息，以及执行任何必要的维护操作。

  • 调度策略选择：

    • 使用抢占式调度器，确保高优先级任务（如紧急数据上传）能够及时得到CPU资源。
    • 根据任务的重要性设置不同的优先级，例如传感器读取任务可以设置较高的优先级以确保数据的及时性。

  • 任务间通信方式：

    • 利用FreeRTOS提供的队列机制来进行任务间的异步通信，确保数据传输的安全性和可靠性。
    • 对于共享资源（如传感器接口），采用互斥锁来防止并发访问问题。

  • 其他相关的设计决策：

    • 能效考虑：通过合理安排任务的执行周期和使用低功耗模式减少能耗。比如，传感器读取任务可以在不需要频繁更新的情况下进入休眠状态。
    • 容错性：增加异常检测逻辑，确保在网络连接失败或其他故障发生时，系统能够优雅地处理而不是崩溃。
    • 安全性：确保所有网络通信都经过加密，防止敏感数据泄露。

知识点

实现UART、I2C、SPI等串行通信协议以及网络通信中的TCP/IP栈和MQTT协议，涉及到硬件接口的配置和软件协议栈的开发。下面是针对这些通信协议的简要介绍和实现要点：

1. UART（通用异步收发传输器）

特点：

  • 简单的点对点通信。
  • 异步通信，不需要时钟线同步。

实现要点：

  • 硬件连接：TX（发送）和RX（接收）引脚。
  • 配置波特率：确保两端设备使用相同的波特率。
  • 数据格式：设置数据位、停止位和校验位。
  • 中断处理：通常用于接收数据，以提高效率。
  • 缓冲区管理：防止数据丢失或溢出。

代码示例（C语言，基于STM32）：

// 初始化USART
void USART_Init(void) {
    // 配置GPIO和USART参数
}

// 发送一个字符
void USART_SendChar(char ch) {
    while (USART_GetFlagStatus(USARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);
    USART_SendData(USARTx, ch);
}

// 接收一个字符
char USART_ReceiveChar(void) {
    while (USART_GetFlagStatus(USARTx, USART_FLAG_RXNE) == RESET);
    return USART_ReceiveData(USARTx);
}

2. I2C（内部集成电路）

特点：

  • 多主多从架构，支持多个设备共用两根线（SDA和SCL）。
  • 同步通信，需要时钟线同步。

实现要点：

  • 地址识别：每个设备有唯一的7位或10位地址。
  • 起始和停止条件：用于标识传输开始和结束。
  • 读写操作：通过ACK/NACK信号确认每字节的成功传输。
  • 时序控制：确保符合I2C标准的时序要求。

代码示例（C语言，基于STM32）：

// 初始化I2C
void I2C_Init(void) {
    // 配置I2C参数
}

// 写入数据到从设备
void I2C_Write(uint8_t slaveAddr, uint8_t reg, uint8_t data) {
    // 发送起始条件、地址、寄存器、数据并发送停止条件
}

// 从从设备读取数据
uint8_t I2C_Read(uint8_t slaveAddr, uint8_t reg) {
    // 发送起始条件、地址、寄存器并读取数据，最后发送停止条件
    return read_data;
}

3. SPI（串行外设接口）

特点：

  • 主从架构，主设备控制时钟线。
  • 支持全双工通信，可以同时发送和接收数据。

实现要点：

  • 硬件连接：MOSI（主输出/从输入）、MISO（主输入/从输出）、SCK（时钟）和SS（片选）。
  • 模式选择：根据CPOL和CPHA设置时钟极性和相位。
  • 数据传输：一次传输一帧数据（通常是8位或16位）。

代码示例（C语言，基于STM32）：

// 初始化SPI
void SPI_Init(void) {
    // 配置SPI参数
}

// 发送和接收数据
uint8_t SPI_Transceive(uint8_t data) {
    SPI_I2S_SendData(SPIx, data);
    while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPIx, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET);
    while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPIx, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET);
    return SPI_I2S_ReceiveData(SPIx);
}

4. TCP/IP栈

特点：

  • 提供可靠的端到端通信。
  • 包括多个层次的协议（如IP、TCP、UDP、ICMP等）。

实现要点：

  • 选择合适的库：如lwIP、uIP等轻量级TCP/IP栈。
  • 配置网络接口：如以太网控制器、Wi-Fi模块等。
  • 应用层协议：根据需求选择HTTP、FTP、SMTP等。

5. MQTT（消息队列遥测传输）

特点：

  • 轻量级发布/订阅模式的消息协议。
  • 适用于资源受限的设备和低带宽网络。

实现要点：

  • 客户端/服务器架构：客户端订阅主题，服务器发布消息。
  • QoS级别：定义消息传递的服务质量。
  • 持久会话：保持客户端与服务器之间的连接状态。

代码示例（C语言，使用Paho-MQTT库）：

#include "MQTTClient.h"

// 连接到MQTT服务器
int MQTT_Connect(MQTTClient *client, const char *serverURI) {
    MQTTClient_connectOptions opts = MQTTClient_connectOptions_initializer;
    int rc;
    opts.keepAliveInterval = 20;
    opts.cleansession = 1;

    if ((rc = MQTTClient_connect(client, &opts)) != MQTTCLIENT_SUCCESS) {
        printf("Failed to connect, return code %d\n", rc);
        return rc;
    }
    return MQTTCLIENT_SUCCESS;
}

// 发布消息
int MQTT_Publish(MQTTClient *client, const char *topic, const char *message) {
    MQTTClient_message pubmsg = MQTTClient_message_initializer;
    MQTTClient_deliveryToken token;
    pubmsg.payload = (void*)message;
    pubmsg.payloadlen = strlen(message);
    pubmsg.qos = 1;
    pubmsg.retained = 0;

    MQTTClient_publishMessage(client, topic, &pubmsg, &token);
    MQTTClient_waitForCompletion(client, token, 10000L);

    return MQTTCLIENT_SUCCESS;
}

总结

实现上述通信协议时，首先要选择合适的硬件平台和库，然后根据具体的应用需求进行配置和编程。对于UART、I2C、SPI等底层通信协议，重点在于正确配置硬件引脚和初始化参数；而对于TCP/IP栈和MQTT等高级协议，则需要关注网络接口的配置和协议栈的选择。

试卷

一、选择题（每题2分，共40分）

  1. UART通信中，确保两端设备同步传输的关键参数是： A. 数据位
    B. 波特率
    C. 校验位
    D. 停止位

  2. 在I2C通信中，用于标识数据传输开始的是： A. ACK信号
    B. NACK信号
    C. 起始条件
    D. 停止条件

  3. SPI通信采用的主从架构中，哪个引脚负责控制时钟？ A. MOSI
    B. MISO
    C. SCK
    D. SS

  4. 下列哪种通信方式不是基于点对点的？ A. UART
    B. I2C
    C. SPI
    D. MQTT

  5. TCP/IP模型中的传输层主要提供了什么功能？ A. 物理连接
    B. 网络寻址
    C. 可靠的数据传输
    D. 应用程序接口

  6. MQTT协议适用于以下哪种场景？ A. 高带宽网络环境
    B. 资源受限的IoT设备
    C. 实时视频流传输
    D. 文件传输

  7. 在UART通信中，停止位的作用是什么？ A. 指示数据帧的结束
    B. 进行奇偶校验
    C. 同步时钟信号
    D. 提供额外的数据位

  8. I2C总线上的设备通过什么来区分彼此？ A. 设备地址
    B. 数据长度
    C. 传输速率
    D. 信号强度

  9. 在SPI通信中，全双工模式意味着： A. 只能单向传输数据
    B. 同时发送和接收数据
    C. 数据只能在主设备间传输
    D. 需要额外的握手信号

  10. 下列哪一项不属于TCP/IP四层模型？ A. 应用层
    B. 会话层
    C. 传输层
    D. 网络层

  11. MQTT协议中的QoS级别0表示： A. 至少一次传递
    B. 最多一次传递
    C. 确认传递
    D. 持久会话

  12. 在实现UART通信时，通常使用哪种中断来处理接收数据？ A. 定时器中断
    B. 接收完成中断
    C. 发送完成中断
    D. 错误中断

  13. I2C协议中的ACK信号由谁发出？ A. 主设备
    B. 从设备
    C. 主设备和从设备都可以
    D. 不需要ACK信号

  14. 下列哪项不是SPI通信的特点？ A. 需要多个引脚
    B. 支持全双工通信
    C. 需要外部时钟源
    D. 主从架构

  15. 在TCP/IP栈中，IP协议位于哪一层？ A. 应用层
    B. 传输层
    C. 网络层
    D. 数据链路层

  16. MQTT客户端连接到服务器时使用的函数通常是： A. MQTTClient_connect
    B. MQTTClient_subscribe
    C. MQTTClient_publish
    D. MQTTClient_disconnect

  17. 下列哪一项是I2C通信的优势？ A. 高速传输
    B. 多主多从架构
    C. 不需要时钟线
    D. 简单硬件连接

  18. 在SPI通信中，SS引脚的主要作用是什么？ A. 控制数据方向
    B. 提供时钟信号
    C. 选择从设备
    D. 校验数据完整性

  19. 下列哪项是TCP协议相对于UDP协议的主要优势？ A. 更低的延迟
    B. 更高的吞吐量
    C. 可靠的数据传输
    D. 简化的头部结构

  20. MQTT协议中的持久会话允许客户端断开后： A. 重新订阅主题
    B. 继续接收离线消息
    C. 更新服务器配置
    D. 断开所有连接

二、简答题（每题10分，共30分）

  1. 描述UART通信的基本原理，并说明波特率设置的重要性。

  2. 比较I2C和SPI两种通信协议的主要区别，包括硬件连接、数据传输方式和应用场景。

  3. 解释TCP/IP模型的四层结构及其各层的主要功能。

三、编程题（每题15分，共30分）

  1. 编写一段C语言代码，初始化一个UART接口并实现发送字符串“Hello, World!”的功能。假设使用STM32微控制器。

  2. 使用Paho-MQTT库编写一个简单的MQTT客户端程序，该程序能够连接到指定的MQTT服务器，订阅一个主题，并打印接收到的消息。


http://www.kler.cn/a/470395.html

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