FreeRTOS队列（queue）

news2024/11/24 5:03:03

队列(queue)可以用于"任务到任务"、 "任务到中断"、 "中断到任务"直接传输信息。

1、队列的特性

1、1常规操作

队列的简化操如下图所示，从此图可知：

  • 队列中可以包含若干数据：队列中有若干项，这被称为“长度”；
  • 每个数据大小固定；
  • 创建队列时就要指定长度、数据大小；
  • 数据的操作采用先进先出的方法：写数据时放入尾部，读数据时从头部读；
  • 也可以强制写队列头部：覆盖头部数据。

1、2 数据传输的两种方式

使用队列传输数据时有两种方法：

拷贝：把数据、变量的值复制进队列里；

引用：把数据、变量的地址复制进队列里。

FreeRTOS 使用拷贝值的方法，这更简单：
⚫ 局部变量的值可以发送到队列中，后续即使函数退出、局部变量被回收，也不会影响队列中的数据；
⚫ 无需分配 buffer 来保存数据，队列中有 buffer；
⚫ 局部变量可以马上再次使用；
⚫ 发送任务、接收任务解耦：接收任务不需要知道这数据是谁的、也不需要发送任务来释放数据；
⚫ 如果数据实在太大，你还是可以使用队列传输它的地址；
⚫ 队列的空间有 FreeRTOS 内核分配，无需任务操心；
⚫ 对于有内存保护功能的系统，如果队列使用引用方法，也就是使用地址，必须确保双方任务对这个地址都有访问权限。使用拷贝方法时，则无此限制：内核有足够的权限，把数据复制进队列、再把数据复制出队列。

1、3队列的阻塞访问

        只要知道队列的句柄，谁都可以读、写该队列。任务、 ISR 都可读、写队列。可以多个任务读写队列。
        任务读写队列时，简单地说：如果读写不成功，则阻塞；可以指定超时时间。口语化地说，就是可以定个闹钟：如果能读写了就马上进入就绪态，否则就阻塞直到超时。
        某个任务读队列时，如果队列没有数据，则该任务可以进入阻塞状态：还可以指定阻塞的时间。如果队列有数据了，则该阻塞的任务会变为就绪态。如果一直都没有数据，则时间到之后它也会进入就绪态。
        既然读取队列的任务个数没有限制，那么当多个任务读取空队列时，这些任务都会进入阻塞状态：有多个任务在等待同一个队列的数据。当队列中有数据时，哪个任务会进入就绪态？


⚫ 优先级最高的任务
⚫ 如果大家的优先级相同，那等待时间最久的任务会进入就绪态

        跟读队列类似，一个任务要写队列时，如果队列满了，该任务也可以进入阻塞状态：还可以指定阻塞的时间。如果队列有空间了，则该阻塞的任务会变为就绪态。如果一直都没有空间，则时间到之后它也会进入就绪态。既然写队列的任务个数没有限制，那么当多个任务写"满队列"时，这些任务都会进入阻塞状态：有多个任务在等待同一个队列的空间。当队列中有空间时，哪个任务会进入就绪态？


⚫ 优先级最高的任务
⚫ 如果大家的优先级相同，那等待时间最久的任务会进入就绪态

2、队列函数

使用队列的流程：创建队列、写队列、读队列、删除队列。

2.1创建

队列的创建有两种方法：动态分配内存、静态分配内存
 

1、动态分配内存： xQueueCreate，队列的内存在函数内部动态分配
 

QueueHandle_t xQueueCreate( UBaseType_t uxQueueLength, UBaseType_t uxItemSize );

2、静态分配内存： xQueueCreateStatic，队列的内存要事先分配好
函数原型如下：
 

QueueHandle_t xQueueCreateStatic(
    UBaseType_t uxQueueLength,
    UBaseType_t uxItemSize,
    uint8_t *pucQueueStorageBuffer,
    StaticQueue_t *pxQueueBuffer
)

示例代码：

// 示例代码
#define QUEUE_LENGTH 10
#define ITEM_SIZE sizeof( uint32_t )

// xQueueBuffer 用来保存队列结构体
StaticQueue_t xQueueBuffer;

// ucQueueStorage 用来保存队列的数据
// 大小为： 队列长度 * 数据大小
uint8_t ucQueueStorage[ QUEUE_LENGTH * ITEM_SIZE ];

void vATask( void *pvParameters )
{
    QueueHandle_t xQueue1;
    // 创建队列: 可以容纳 QUEUE_LENGTH 个数据，每个数据大小是 ITEM_SIZE
    xQueue1 = xQueueCreateStatic( QUEUE_LENGTH,
        ITEM_SIZE,
        ucQueueStorage,
        &xQueueBuffer );
}

2.2 复位

        队列刚被创建时，里面没有数据；使用过程中可以调用 xQueueReset()把队列恢复为初始状态，此函数原型为：

/* pxQueue : 复位哪个队列;
* 返回值: pdPASS(必定成功)
*/
BaseType_t xQueueReset( QueueHandle_t pxQueue);

2.3删除

        删除队列的函数为 vQueueDelete()，只能删除使用动态方法创建的队列，它会释放内存。 原型如下：

void vQueueDelete( QueueHandle_t xQueue );

2.4写队列

        可以把数据写到队列头部，也可以写到尾部，这些函数有两个版本：在任务中使用、在ISR 中使用。函数原型如下：
      

/* 等同于xQueueSendToBack
* 往队列尾部写入数据，如果没有空间，阻塞时间为xTicksToWait
*/
BaseType_t xQueueSend(
QueueHandle_t xQueue,
const void *pvItemToQueue,
TickType_t xTicksToWait
);



/*
* 往队列尾部写入数据，如果没有空间，阻塞时间为xTicksToWait
*/
BaseType_t xQueueSendToBack(
QueueHandle_t xQueue,
const void *pvItemToQueue,
TickType_t xTicksToWait
);



/*
* 往队列尾部写入数据，此函数可以在中断函数中使用，不可阻塞
*/
BaseType_t xQueueSendToBackFromISR(
QueueHandle_t xQueue,
const void *pvItemToQueue,
BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken
);



/*
* 往队列头部写入数据，如果没有空间，阻塞时间为xTicksToWait
*/
BaseType_t xQueueSendToFront(
QueueHandle_t xQueue,
const void *pvItemToQueue,
TickType_t xTicksToWait
);


/*
* 往队列头部写入数据，此函数可以在中断函数中使用，不可阻塞
*/
BaseType_t xQueueSendToFrontFromISR(
QueueHandle_t xQueue,
const void *pvItemToQueue,
BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken
);

  

2.5读队列

        使用 xQueueReceive()函数读队列，读到一个数据后，队列中该数据会被移除。这个
函数有两个版本：在任务中使用、在 ISR 中使用。函数原型如下：

BaseType_t xQueueReceive( QueueHandle_t xQueue,
void * const pvBuffer,
TickType_t xTicksToWait );


BaseType_t xQueueReceiveFromISR(
QueueHandle_t xQueue,
void *pvBuffer,
BaseType_t *pxTaskWoken
);

2.6查询

可以查询队列中有多少个数据、有多少空余空间。函数原型如下：
 

/*
* 返回队列中可用数据的个数
*/
UBaseType_t uxQueueMessagesWaiting( const QueueHandle_t xQueue );
/*
* 返回队列中可用空间的个数
*/
UBaseType_t uxQueueSpacesAvailable( const QueueHandle_t xQueue );

2.7覆盖 or偷看

当队列长度为 1 时，可以使用 xQueueOverwrite()或 xQueueOverwriteFromISR()
来覆盖数据。
注意，队列长度必须为 1。当队列满时，这些函数会覆盖里面的数据，这也以为着这
些函数不会被阻塞
 

/* 覆盖队列
* xQueue: 写哪个队列
* pvItemToQueue: 数据地址
* 返回值: pdTRUE表示成功, pdFALSE表示失败
*/
BaseType_t xQueueOverwrite(
QueueHandle_t xQueue,
const void * pvItemToQueue
);
BaseType_t xQueueOverwriteFromISR(
QueueHandle_t xQueue,
const void * pvItemToQueue,
BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken
);

如果想让队列中的数据供多方读取，也就是说读取时不要移除数据，要留给后来人。那
么可以使用"窥视"，也就是xQueuePeek()或xQueuePeekFromISR()。这些函数会从队列中
复制出数据，但是不移除数据。这也意味着，如果队列中没有数据，那么"偷看"时会导致阻
塞；一旦队列中有数据，以后每次"偷看"都会成功。
 

/* 偷看队列
* xQueue: 偷看哪个队列
* pvItemToQueue: 数据地址, 用来保存复制出来的数据
* xTicksToWait: 没有数据的话阻塞一会
* 返回值: pdTRUE表示成功, pdFALSE表示失败
*/
BaseType_t xQueuePeek(
QueueHandle_t xQueue,
void * const pvBuffer,
TickType_t xTicksToWait
);
BaseType_t xQueuePeekFromISR(
QueueHandle_t xQueue,
void *pvBuffer,
);

3、传输大数据

FreeRTOS的队列使用拷贝传输，也就是要传输uint32_t时，把4字节的数据拷贝进队列；
要传输一个8字节的结构体时，把8字节的数据拷贝进队列。
如果要传输1000字节的结构体呢？写队列时拷贝1000字节，读队列时再拷贝1000字节？
不建议这么做，影响效率！
这时候，我们要传输的是这个巨大结构体的地址：把它的地址写入队列，对方从队列得
到这个地址，使用地址去访问那1000字节的数据。
使用地址来间接传输数据时，这些数据放在RAM里，对于这块RAM，要保证这几点：
⚫ RAM 的所有者、操作者，必须清晰明了
这块内存，就被称为"共享内存"。要确保不能同时修改 RAM。比如，在写队列之
前只有由发送者修改这块 RAM，在读队列之后只能由接收者访问这块 RAM。
⚫ RAM 要保持可用
这块 RAM 应该是全局变量，或者是动态分配的内存。对于动然分配的内存，要
确保它不能提前释放：要等到接收者用完后再释放。 另外，不能是局部变量。
 

实例

程序会创建一个队列，然后创建1个发送任务、 1个接收任务：
⚫ 创建的队列：长度为 1，用来传输"char *"指针
⚫ 发送任务优先级为 1，在字符数组中写好数据后，把它的地址写入队列
⚫ 接收任务优先级为 2，读队列得到"char *"值，把它打印出来


        这个程序故意设置接收任务的优先级更高，在它访问数组的过程中，接收任务无法执行、无法写这个数组。

main函数中创建了队列、创建了发送任务、接收任务，代码如下：
 

/* 定义一个字符数组 */
static char pcBuffer[100];
/* vSenderTask被用来创建2个任务，用于写队列
* vReceiverTask被用来创建1个任务，用于读队列
*/
static void vSenderTask( void *pvParameters );
static void vReceiverTask( void *pvParameters );
/*-----------------------------------------------------------*/
/* 队列句柄, 创建队列时会设置这个变量 */
QueueHandle_t xQueue;
int main( void )
{
prvSetupHardware();
/* 创建队列: 长度为1，数据大小为4字节(存放一个char指针) */
xQueue = xQueueCreate( 1, sizeof(char *) );
if( xQueue != NULL )
{
/* 创建1个任务用于写队列
* 任务函数会连续执行，构造buffer数据，把buffer地址写入队列
* 优先级为1
*/
xTaskCreate( vSenderTask, "Sender", 1000, NULL, 1, NULL );
/* 创建1个任务用于读队列
* 优先级为2, 高于上面的两个任务
* 这意味着读队列得到buffer地址后，本任务使用buffer时不会被打断
*/
xTaskCreate( vReceiverTask, "Receiver", 1000, NULL, 2, NULL );
/* 启动调度器 */
vTaskStartScheduler();
}
else
{
/* 无法创建队列 */
}
/* 如果程序运行到了这里就表示出错了, 一般是内存不足 */
return 0;
}

发送任务的函数中，现在全局大数组pcBuffer中构造数据，然后把它的地址写入队列，
代码如下
 

static void vSenderTask( void *pvParameters )
{
    BaseType_t xStatus;
    static int cnt = 0;
    char *buffer;
    /* 无限循环 */
    for( ;; )
    {
        sprintf(pcBuffer, "www.100ask.net Msg %d\r\n", cnt++);
        buffer = pcBuffer; // buffer变量等于数组的地址, 下面要把这个地址写入队列

            /* 写队列
        * xQueue: 写哪个队列
        * pvParameters: 写什么数据? 传入数据的地址, 会从这个地址把数据复制进队列
        * 0: 如果队列满的话, 即刻返回
        */
        xStatus = xQueueSendToBack( xQueue, &buffer, 0 ); /* 只需要写入4字节, 无需写入
        整个buffer */

        if( xStatus != pdPASS )
        {
            printf( "Could not send to the queue.\r\n" );
        }
    }
}

接收任务的函数中，读取队列、得到buffer的地址、打印，代码如下
 

static void vReceiverTask( void *pvParameters )
{
    /* 读取队列时, 用这个变量来存放数据 */
    char *buffer;
    const TickType_t xTicksToWait = pdMS_TO_TICKS( 100UL );
    BaseType_t xStatus;
    /* 无限循环 */
    for( ;; )
    {
        /* 读队列
        * xQueue: 读哪个队列
        * &xReceivedStructure: 读到的数据复制到这个地址
        * xTicksToWait: 没有数据就阻塞一会
        */
        xStatus = xQueueReceive( xQueue, &buffer, xTicksToWait); /* 得到buffer地址，只
        是4字节 */
        if( xStatus == pdPASS )
        {
            /* 读到了数据 */
            printf("Get: %s", buffer);
        }
        else
        {
            /* 没读到数据 */
            printf( "Could not receive from the queue.\r\n" );
        }
    }
}

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