嵌入式软件八股文C 语言、硬件与操作系统基础核心知识（面试必看，建议收藏！！！），建议对照问题做一遍在于答案进行对照

引言

在嵌入式开发和系统编程领域，对 C 语言、硬件与处理器以及操作系统相关知识的深入理解至关重要。本文将详细解析一系列关键概念，包括static和volatile关键字、内存对齐、中断、硬件术语、字节序、实时操作系统特性以及死锁与同步机制等，旨在帮助开发者夯实基础，提升编程能力。

问题

请解释 static 关键字在 C 语言中的作用（变量、函数、局部变量）。

volatile 关键字的作用是什么？举一个嵌入式场景中的使用例子。

什么是内存对齐（Memory Alignment）？为什么在嵌入式系统中需要关注它？

硬件与处理器

什么是中断（Interrupt）？在编写中断服务程序（ISR）时需要注意哪些问题？

解释以下术语：GPIO、PWM、ADC、DMA。

大端（Big-Endian）和小端（Little-Endian）的区别是什么？如何用代码检测当前系统的字节序？

操作系统与实时性 实时操作系统（RTOS）中的“实时性”如何保证？举例说明任务调度机制（如优先级抢占）。

什么是死锁（Deadlock）？如何避免死锁？

请解释信号量（Semaphore）和互斥锁（Mutex）的区别及使用场景。

一、C 语言基础

1. static关键字

2. 术语解释

3. 大端和小端

2. 死锁

3. 信号量和互斥锁

静态局部变量：在函数内部使用static修饰的局部变量，仅在首次调用函数时初始化，后续调用保留上次结束时的值。示例代码如下：

#include <stdio.h>

void func() {
    static int count = 0;
    count++;
    printf("count: %d\n", count);
}

int main() {
    func(); 
    func(); 
    return 0;
}

静态全局变量：全局变量前加static，其作用域局限于定义它的源文件，其他源文件无法通过extern引用。

静态函数：用static修饰的函数，作用域限于定义它的源文件，避免不同源文件函数名冲突。

2. volatile关键字

该关键字用于防止系统对变量访问进行优化。在嵌入式系统中，硬件寄存器的值可能被硬件自行修改，编译器的优化可能导致错误。例如读取硬件定时器计数值：

volatile unsigned int *timer_register = (volatile unsigned int *)0x40000000; 
unsigned int timer_value;

timer_value = *timer_register;

3. 内存对齐

概念：数据在内存中的起始地址须为特定值（通常是数据类型大小的整数倍）的整数倍。

原因：现代计算机内存按字（如 4 字节或 8 字节）访问，未对齐数据可能需多次访问内存，增加访问时间。部分处理器只能访问对齐数据，否则可能出现硬件异常或性能下降。

规则：基本数据类型对齐值通常等于自身大小，结构体对齐值为其成员中最大对齐值，成员间可能存在填充字节。

示例：

#include <stdio.h>

struct Example1 {
    char c;    
    int i;     
    short s;   
};

int main() {
    printf("sizeof(struct Example1): %zu\n", sizeof(struct Example1));
    return 0;
}

此结构体中，char c占 1 字节，为满足int i（对齐值 4）的对齐要求，c后填充 3 字节，i从地址 4 开始占 4 字节，short s（对齐值 2）从地址 8 开始占 2 字节，结构体总大小为 12 字节。

还可通过调整结构体成员顺序减少内存占用，也能使用#pragma pack指令手动控制对齐，但可能影响性能。

二、硬件与处理器

1. 中断

定义：程序运行中接收到中断信号，打断原执行流程，进入中断服务函数，执行完毕后返回原逻辑。

编写注意事项：

• 执行时间：应短小精悍，避免过长影响系统实时性，因执行时其他中断可能被屏蔽。
• 禁用不必要操作：避免复杂计算、I/O 操作或调用可能阻塞的函数。
• 保存和恢复上下文：进入和退出中断服务程序时，分别保存和恢复处理器上下文（如寄存器值）。
• 临界区保护：若与主程序或其他中断服务程序共享资源，需保护临界区，防止数据竞争。

GPIO：通用输入输出，可通过软件配置为输入或输出功能的引脚，用于控制外部设备或读取信号。

PWM：脉冲宽度调制，通过控制脉冲信号占空比实现对模拟信号的控制，常用于电机调速、灯光调光。

ADC：模数转换器，将模拟信号转换为数字信号供微控制器或计算机处理。

DMA：直接内存访问，无需 CPU 干预即可实现内存和外设间的数据传输，提高效率，减轻 CPU 负担。

区别：大端模式高字节在低地址，小端模式低字节在低地址。

检测代码：

#include <stdio.h>

int isLittleEndian() {
    int num = 1;
    char *ptr = (char *)&num;
    return (*ptr == 1);
}

int main() {
    if (isLittleEndian()) {
        printf("当前系统是小端模式\n");
    } else {
        printf("当前系统是大端模式\n");
    }
    return 0;
}

三、操作系统与实时性

1. 实时操作系统的实时性保证

中断机制：快速响应外部中断信号，及时处理紧急事件。

任务调度算法：采用优先级抢占调度算法，维护任务就绪列表，高优先级任务就绪时，暂停低优先级任务并执行高优先级任务，直至其完成或主动放弃 CPU 资源。

时间管理：提供精确时间管理功能，如定时器、延时函数，确保任务按预定时间执行。

定义：多个进程因争夺资源而互相等待，若无外力作用无法推进。

避免方法：

• 破坏互斥条件：允许资源被多进程同时访问，但部分资源特性决定必须互斥访问，适用范围有限。
• 破坏占有并等待条件：进程申请资源时一次性申请所需全部资源。
• 破坏不剥夺条件：进程占有资源又申请其他资源无法满足时，操作系统可剥夺其已占资源。
• 破坏循环等待条件：对资源编号，要求进程按编号顺序申请资源。

信号量：分二进制信号量和计数型信号量。二进制信号量用于同步，控制任务执行顺序；计数型信号量用于资源管理，记录可用资源数量。

互斥锁：保护临界区，确保同一时间只有一个任务访问共享资源，避免数据竞争。