FreeRTOS之队列上锁和解锁（详解）

news2024/11/24 2:49:06

 

这篇文章将记录我学习实时操作系统FreeRTOS的队列上锁和解锁的知识，在此分享给大家，希望我的分享能给你带来不一样的收获！

目录

一、简介

 二、队列上锁函数prvLockQueue（）

1、函数初探

2、应用示例 

 三、队列解锁函数prvUnLockQueue（） 

1、函数初探及详细注释

详细注释解释：

结论:

2、函数使用示例

一、简介

在FreeRTOS中，队列是一种用于在任务之间传递数据的通信机制。它可以实现生产者任务将数据发送到队列中，然后消费者任务从队列中接收数据。队列的上锁和解锁操作是用来保护队列数据的完整性和一致性的。

当一个任务要向队列发送数据时，首先需要对队列进行上锁操作。这是为了防止其他任务同时访问队列，从而导致数据的错误读写。在上锁期间，其他任务无法访问队列，直到上锁任务完成发送操作并解锁队列。

类似地，当一个任务要从队列接收数据时，也需要对队列进行上锁操作。这是为了保证在接收数据的过程中，队列中的数据不会被其他任务修改。在上锁期间，其他任务无法修改队列中的数据，直到上锁任务完成接收操作并解锁队列。

通过对队列进行上锁和解锁操作，可以确保在多任务环境下，队列的数据操作是安全和可靠的。

 二、队列上锁函数prvLockQueue（）

1、函数初探

/*-----------------------------------------------------------*/

/*
 * Macro to mark a queue as locked.  Locking a queue prevents an ISR from
 * accessing the queue event lists.
 */
#define prvLockQueue( pxQueue )								\
	taskENTER_CRITICAL();									\
	{														\
		if( ( pxQueue )->cRxLock == queueUNLOCKED )			\
		{													\
			( pxQueue )->cRxLock = queueLOCKED_UNMODIFIED;	\
		}													\
		if( ( pxQueue )->cTxLock == queueUNLOCKED )			\
		{													\
			( pxQueue )->cTxLock = queueLOCKED_UNMODIFIED;	\
		}													\
	}														\
	taskEXIT_CRITICAL()
/*-----------------------------------------------------------*/

就是将队列中的成员变量cRxLock和cTxlock设置为queueLOCKED_UNMODIFIED就行

2、应用示例 

在FreeRTOS中，队列并不需要显式的上锁（或者说信号量），因为队列的操作已经在内部进行了同步和互斥处理。这是因为FreeRTOS的队列实现是线程安全的，它在底层使用了信号量和互斥量来确保多任务环境下的安全访问。

下面是一个简单的示例，演示了如何在FreeRTOS中创建、发送和接收队列消息：

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "queue.h"

#define QUEUE_LENGTH    5
#define ITEM_SIZE       sizeof(int)

QueueHandle_t xQueue;

void SenderTask(void *pvParameters) {
    int count = 0;

    while (1) {
        // 将消息发送到队列
        xQueueSend(xQueue, &count, portMAX_DELAY);
        count++;

        // 延时一段时间
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
    }
}

void ReceiverTask(void *pvParameters) {
    int received_value;

    while (1) {
        // 从队列接收消息
        if (xQueueReceive(xQueue, &received_value, portMAX_DELAY) == pdPASS) {
            // 处理接收到的消息
            printf("Received: %d\n", received_value);
        }
    }
}

int main(void) {
    // 创建队列
    xQueue = xQueueCreate(QUEUE_LENGTH, ITEM_SIZE);

    // 创建发送任务
    xTaskCreate(SenderTask, "Sender", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, tskIDLE_PRIORITY + 1, NULL);

    // 创建接收任务
    xTaskCreate(ReceiverTask, "Receiver", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, tskIDLE_PRIORITY + 1, NULL);

    // 启动调度器
    vTaskStartScheduler();

    // 如果调度器启动失败，进入错误处理
    for (;;);

    return 0;
}

 （1）、队列创建：在 main 函数中创建了一个队列，它可以容纳 QUEUE_LENGTH 个 int 类型的元素。

xQueue = xQueueCreate(QUEUE_LENGTH, ITEM_SIZE);

（2）、 发送任务 (SenderTask)：SenderTask 函数中通过 xQueueSend 将 count 的值发送到队列中，然后 count 递增，并延时1秒钟。

void SenderTask(void *pvParameters) {
    int count = 0;

    while (1) {
        xQueueSend(xQueue, &count, portMAX_DELAY);
        count++;
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
    }
}

（3）、 接收任务 (ReceiverTask)：ReceiverTask 函数中通过 xQueueReceive 从队列中接收消息，并将接收到的消息打印出来。

void ReceiverTask(void *pvParameters) {
    int received_value;

    while (1) {
        if (xQueueReceive(xQueue, &received_value, portMAX_DELAY) == pdPASS) {
            printf("Received: %d\n", received_value);
        }
    }
}

 （4）、主函数 (main)：

  • 创建了队列 xQueue。
  • 创建了发送任务 SenderTask 和接收任务 ReceiverTask。
  • 启动了 FreeRTOS 的任务调度器 vTaskStartScheduler()。

 三、队列解锁函数prvUnLockQueue（） 

1、函数初探及详细注释

/*-----------------------------------------------------------*/

static void prvUnlockQueue( Queue_t * const pxQueue )
{
	/* 必须在调度器挂起的情况下调用此函数 */

	/* 锁计数器包含在队列被锁定期间添加或移除的额外数据项数量。
	   当队列被锁定时，可以添加或移除项目，但不能更新事件列表。 */
	taskENTER_CRITICAL();
	{
		int8_t cTxLock = pxQueue->cTxLock;

		/* 检查在队列被锁定期间是否有数据被添加 */
		while( cTxLock > queueLOCKED_UNMODIFIED )
		{
			/* 当队列被锁定时有数据被发送。有任务因为数据可用而阻塞吗？ */
			#if ( configUSE_QUEUE_SETS == 1 )
			{
				if( pxQueue->pxQueueSetContainer != NULL )
				{
					if( prvNotifyQueueSetContainer( pxQueue, queueSEND_TO_BACK ) != pdFALSE )
					{
						/* 队列是队列集的成员，并且向队列集发送数据导致更高优先级的任务解除阻塞。
						   需要进行上下文切换。 */
						vTaskMissedYield();
					}
					else
					{
						mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
					}
				}
				else
				{
					/* 从事件列表中移除的任务将被添加到等待准备列表中，因为调度器仍处于挂起状态。 */
					if( listLIST_IS_EMPTY( &( pxQueue->xTasksWaitingToReceive ) ) == pdFALSE )
					{
						if( xTaskRemoveFromEventList( &( pxQueue->xTasksWaitingToReceive ) ) != pdFALSE )
						{
							/* 等待的任务优先级更高，所以需要记录需要进行上下文切换。 */
							vTaskMissedYield();
						}
						else
						{
							mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
						}
					}
					else
					{
						break;
					}
				}
			}
			#else /* configUSE_QUEUE_SETS */
			{
				/* 从事件列表中移除的任务将被添加到等待准备列表中，因为调度器仍处于挂起状态。 */
				if( listLIST_IS_EMPTY( &( pxQueue->xTasksWaitingToReceive ) ) == pdFALSE )
				{
					if( xTaskRemoveFromEventList( &( pxQueue->xTasksWaitingToReceive ) ) != pdFALSE )
					{
						/* 等待的任务优先级更高，所以需要记录需要进行上下文切换。 */
						vTaskMissedYield();
					}
					else
					{
						mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
					}
				}
				else
				{
					break;
				}
			}
			#endif /* configUSE_QUEUE_SETS */

			--cTxLock;
		}

		pxQueue->cTxLock = queueUNLOCKED;
	}
	taskEXIT_CRITICAL();

	/* 处理接收锁（cRxLock）的解锁 */
	taskENTER_CRITICAL();
	{
		int8_t cRxLock = pxQueue->cRxLock;

		while( cRxLock > queueLOCKED_UNMODIFIED )
		{
			/* 检查在队列被锁定期间是否有数据被移除 */
			if( listLIST_IS_EMPTY( &( pxQueue->xTasksWaitingToSend ) ) == pdFALSE )
			{
				if( xTaskRemoveFromEventList( &( pxQueue->xTasksWaitingToSend ) ) != pdFALSE )
				{
					vTaskMissedYield();
				}
				else
				{
					mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
				}

				--cRxLock;
			}
			else
			{
				break;
			}
		}

		pxQueue->cRxLock = queueUNLOCKED;
	}
	taskEXIT_CRITICAL();
}
/*-----------------------------------------------------------*/

详细注释解释：

  1. 任务关键性操作管理:

    • 使用 taskENTER_CRITICAL() 进入临界区，确保后续操作的原子性和避免抢占。
    • 使用 taskEXIT_CRITICAL() 退出临界区，保证对队列锁定状态的修改是原子的。

  2. 解锁发送 (cTxLock):

    • 检查在队列被锁定期间是否有数据被添加 (cTxLock >queueLOCKED_UNMODIFIED)。
    • 根据是否使用队列集 (configUSE_QUEUE_SETS)，通知相关的队列集容器或者从等待接收数据的任务事件列表 (xTasksWaitingToReceive) 中移除任务。
    • 如果由于数据可用导致更高优先级任务解除阻塞，调用 vTaskMissedYield() 进行上下文切换。

  3. 解锁接收 (cRxLock):

    • 检查在队列被锁定期间是否有数据被移除 (cRxLock >queueLOCKED_UNMODIFIED)。
    • 从等待发送数据的任务事件列表 (xTasksWaitingToSend) 中移除任务，如果任务因为数据发送而变得可运行，调用 vTaskMissedYield() 进行上下文切换。

  4. 测试覆盖率:

    • 使用 mtCOVERAGE_TEST_MARKER() 调用来确保测试所有代码路径。

结论:

这段代码在实时操作系统（RTOS）环境中非常重要，用于管理多任务对共享数据结构（如队列）的同步访问。通过管理锁计数和任务准备就绪状态，确保在队列解锁后，等待访问队列的任务可以及时执行，以提高系统效率和响应能力。

2、函数使用示例

假设我们有一个队列 xQueue，在实际应用中可能是用于任务之间传递数据的队列。以下是一个示例代码：

#include <stdio.h>
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "queue.h"

/* 定义一个队列 */
#define QUEUE_LENGTH    5
#define ITEM_SIZE       sizeof(int)

QueueHandle_t xQueue;

void vSenderTask(void *pvParameters)
{
    int i = 0;
    BaseType_t xStatus;

    while (1)
    {
        /* 发送数据到队列 */
        xStatus = xQueueSend(xQueue, &i, portMAX_DELAY);
        if (xStatus != pdPASS)
        {
            printf("Failed to send to queue!\n");
        }
        else
        {
            printf("Sent: %d\n", i);
        }
        
        i++;
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500));
    }
}

void vReceiverTask(void *pvParameters)
{
    int rxItem;
    BaseType_t xStatus;

    while (1)
    {
        /* 接收数据 */
        xStatus = xQueueReceive(xQueue, &rxItem, portMAX_DELAY);
        if (xStatus == pdPASS)
        {
            printf("Received: %d\n", rxItem);
        }
        else
        {
            printf("Failed to receive from queue!\n");
        }
        
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
    }
}

int main(void)
{
    /* 创建队列 */
    xQueue = xQueueCreate(QUEUE_LENGTH, ITEM_SIZE);

    /* 创建发送任务 */
    xTaskCreate(vSenderTask, "Sender", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, tskIDLE_PRIORITY + 1, NULL);

    /* 创建接收任务 */
    xTaskCreate(vReceiverTask, "Receiver", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, tskIDLE_PRIORITY + 2, NULL);

    /* 启动调度器 */
    vTaskStartScheduler();

    /* 永远不应该运行到这里 */
    return 0;
}
  • vSenderTask 和 vReceiverTask 分别是发送和接收任务，用于往队列发送数据和从队列接收数据。
  • xQueueSend 和 xQueueReceive 函数用于操作队列，这些函数会在内部调用队列的管理函数，其中包括了类似 prvUnlockQueue 的操作，确保在正确的时机解锁队列以便其他任务可以访问它。

这段示例代码展示了如何使用队列在 FreeRTOS 环境中进行任务间通信，并在发送和接收数据时自动处理队列的锁定和解锁，确保数据的正确传递和任务的及时响应。

四、结语

关于FreeRTOS的队列上锁和解锁的知识就分享至此，希望我的分享对你有所帮助！

 

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