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单片机调试常考面试题

一、调试工具与方法

1. 常用调试工具

• 硬件调试器：JTAG、SWD接口调试器（如ST-Link、J-Link等）
• 逻辑分析仪：用于观察数字信号波形
• 示波器：用于观察模拟信号波形
• 串口调试助手：通过UART打印调试信息
• 仿真器：在开发初期进行软件仿真

2. 调试接口对比

3. 常见调试方法

// 1. 串口打印法
void debug_print(const char* msg) {
    UART_SendString(UART1, msg);
}

// 2. LED指示法
void debug_led_toggle(void) {
    GPIO_ToggleBits(LED_GPIO, LED_PIN);
}

// 3. 逻辑分析法
void debug_signal(void) {
    GPIO_SetBits(DEBUG_GPIO, DEBUG_PIN);    // 置高电平标记开始
    // 需要测量时间的代码
    GPIO_ResetBits(DEBUG_GPIO, DEBUG_PIN);  // 置低电平标记结束
}

二、常见硬件问题调试

1. 电源问题

• 症状：系统不稳定、随机复位、无法启动
• 调试方法： 使用示波器测量电源纹波检查去耦电容是否正确放置测量关键点电压

// 软件复位检测示例
void check_reset_source(void) {
    if(RCC->CSR & RCC_CSR_PINRSTF) {
        debug_print("PIN Reset occurred\n");
    }
    if(RCC->CSR & RCC_CSR_PORRSTF) {
        debug_print("POR/PDR Reset occurred\n");
    }
    if(RCC->CSR & RCC_CSR_SFTRSTF) {
        debug_print("Software Reset occurred\n");
    }
    if(RCC->CSR & RCC_CSR_IWDGRSTF) {
        debug_print("Independent Watchdog Reset occurred\n");
    }
    if(RCC->CSR & RCC_CSR_WWDGRSTF) {
        debug_print("Window Watchdog Reset occurred\n");
    }
    if(RCC->CSR & RCC_CSR_LPWRRSTF) {
        debug_print("Low Power Reset occurred\n");
    }
    
    // 清除复位标志
    RCC->CSR |= RCC_CSR_RMVF;
}

2. 时钟问题

• 症状：通信速率异常、定时不准确
• 调试方法： 使用示波器测量时钟信号检查晶振周围电容值验证PLL配置

// 时钟配置验证示例
void verify_clock_config(void) {
    uint32_t sysclk = SystemCoreClock;
    char buffer[50];
    sprintf(buffer, "System Clock: %lu Hz\n", sysclk);
    debug_print(buffer);
    
    // 输出一个已知频率的信号用于验证
    // 配置定时器产生1kHz信号
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = (sysclk/2000) - 1;  // 1kHz
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 1;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);
    
    // 配置PWM输出
    TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
    TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = (sysclk/4000);  // 50%占空比
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
    TIM_OC1Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);
    
    TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
}

3. 通信接口问题

• 症状：通信失败、数据错误
• 调试方法： 使用逻辑分析仪捕获通信波形环回测试验证接口检查引脚配置和电平转换

// I2C通信故障诊断示例
void I2C_Diagnostic(void) {
    // 检查SCL和SDA线是否被拉低
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    
    // 临时配置为输入，读取当前状态
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = I2C_SCL_PIN | I2C_SDA_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;
    GPIO_Init(I2C_GPIO, &GPIO_InitStructure);
    
    uint8_t scl_state = GPIO_ReadInputDataBit(I2C_GPIO, I2C_SCL_PIN);
    uint8_t sda_state = GPIO_ReadInputDataBit(I2C_GPIO, I2C_SDA_PIN);
    
    if(!scl_state) {
        debug_print("I2C SCL线被拉低，可能存在总线死锁\n");
    }
    if(!sda_state) {
        debug_print("I2C SDA线被拉低，可能存在总线死锁\n");
    }
    
    // 尝试解锁总线
    if(!scl_state || !sda_state) {
        I2C_BusRecover();
    }
    
    // 恢复I2C配置
    I2C_Configuration();
}

三、常见软件问题调试

1. 中断问题

• 症状：中断不响应、中断处理异常
• 调试方法： 检查中断优先级配置验证中断向量表使用GPIO标记中断执行

// 中断延迟测量示例
volatile uint32_t interrupt_latency = 0;

void TIM2_IRQHandler(void) {
    // 测量中断延迟
    GPIO_SetBits(DEBUG_GPIO, DEBUG_PIN);  // 置高用于测量
    
    if(TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET) {
        TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);
        
        // 中断处理代码
        interrupt_counter++;
        
        // 模拟不同的处理时间
        for(volatile int i = 0; i < interrupt_latency; i++);
    }
    
    GPIO_ResetBits(DEBUG_GPIO, DEBUG_PIN);  // 置低
}

// 测试不同中断优先级的影响
void test_interrupt_priority(void) {
    for(uint8_t prio = 0; prio < 16; prio++) {
        NVIC_SetPriority(TIM2_IRQn, prio);
        interrupt_latency = 1000;  // 设置处理时间
        
        // 启动测量
        debug_print("Testing priority: ");
        debug_print_number(prio);
        debug_print("\n");
        
        // 使用逻辑分析仪测量DEBUG_PIN的高电平时间
        delay_ms(1000);  // 给测量留出时间
    }
}

2. 内存问题

• 症状：系统崩溃、数据损坏、堆栈溢出
• 调试方法： 检查堆栈使用情况内存边界检查使用内存保护单元(MPU)

// 堆栈使用监控示例
#define STACK_SIZE 1024
uint32_t stack_buffer[STACK_SIZE];
uint32_t stack_pattern = 0xDEADBEEF;

void init_stack_monitor(void) {
    // 用特定模式填充堆栈
    for(int i = 0; i < STACK_SIZE; i++) {
        stack_buffer[i] = stack_pattern;
    }
}

uint32_t check_stack_usage(void) {
    uint32_t used = 0;
    
    // 从底部开始检查，找到第一个被修改的位置
    for(int i = 0; i < STACK_SIZE; i++) {
        if(stack_buffer[i] != stack_pattern) {
            used = STACK_SIZE - i;
            break;
        }
    }
    
    char buffer[50];
    sprintf(buffer, "Stack usage: %lu bytes\n", used * 4);
    debug_print(buffer);
    
    return used * 4;  // 返回字节数
}

// 内存越界检测示例
void *safe_malloc(size_t size) {
    // 分配额外空间用于边界检查
    uint8_t *ptr = (uint8_t *)malloc(size + 8);
    if(ptr == NULL) return NULL;
    
    // 在内存块前后设置哨兵值
    uint32_t *head = (uint32_t *)ptr;
    uint32_t *tail = (uint32_t *)(ptr + size + 4);
    *head = 0xAAAAAAAA;
    *tail = 0xBBBBBBBB;
    
    // 返回实际可用内存区域
    return (void *)(ptr + 4);
}

bool check_memory_corruption(void *ptr) {
    if(ptr == NULL) return false;
    
    uint8_t *real_ptr = ((uint8_t *)ptr) - 4;
    uint32_t *head = (uint32_t *)real_ptr;
    
    // 获取分配的大小(假设我们有记录)
    size_t size = get_allocation_size(ptr);
    uint32_t *tail = (uint32_t *)(real_ptr + size + 4);
    
    if(*head != 0xAAAAAAAA || *tail != 0xBBBBBBBB) {
        debug_print("Memory corruption detected!\n");
        return true;
    }
    
    return false;
}

3. 定时器问题

• 症状：定时不准、PWM异常
• 调试方法： 使用示波器测量输出波形检查时钟源和分频设置验证中断处理时间

// 定时器精度测试示例
volatile uint32_t timer_counter = 0;
volatile uint32_t expected_counter = 0;

void TIM3_IRQHandler(void) {
    if(TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) != RESET) {
        TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update);
        timer_counter++;
    }
}

void test_timer_accuracy(void) {
    // 配置定时器，预期1ms中断一次
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 999;  // 1000-1