FreeRTOS内核：详解队列管理FIFO

1. 背景
2. Queue相关API
- 2.1 xQueueCreate()：创建
- 2.2 xQueueSend()：发送
- 2.3 xQueueReceive()：接收
- 2.4 vQueueDelete()：删除
- 2.5 xQueuePeek() ：不删除的方式从FIFO读数据，读完不改变FIFO
- 2.6 uxQueueMessagesWaiting()：返回FIFO中当前有效数据单元个数。
- 2.7 xQueueReset()：用于重置队列。
3. FreeRTOS FIFO的原理
- 读FIFO时task状态：
- 写FIFO时task状态：
- 关于优先级：
4. 代码示例
5. 总结
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附：GPT4 output:

（注：本文部分文案由ChatGPT辅助生成，但内容均经过Howie审核和优化，放心使用。）

1. 背景

当我们在嵌入式系统中使用FreeRTOS时，队列（Queue）是一种非常重要的数据结构，它可以帮助我们实现多个任务之间的通信。

在FreeRTOS中，队列的实现是基于FIFO（First-In-First-Out，先进先出）的原则，这意味着先入队列的数据将会先被出队列。

下面，我们将深入介绍FreeRTOS队列管理的细节和用法。

FreeRTOS队列是一种可以在任务之间传递数据的数据结构。队列可以存储多个数据项，每个数据项可以是任何类型的数据，例如整数和结构体。队列的实现是基于FIFO原则

在这里插入图片描述

2. Queue相关API

2.1 xQueueCreate()：创建

在FreeRTOS中，我们可以使用xQueueCreate()函数来创建一个队列。该函数的原型如下所示：

QueueHandle_t xQueueCreate(UBaseType_t uxQueueLength, UBaseType_t uxItemSize);

创建队列后返回一个句柄以便于对该队列进行引用, 其中，uxQueueLength参数是队列中可以存储的数据项的最大数量，uxItemSize参数是每个数据项的大小（以字节为单位）。

创建时，FreeRTOS内核从堆空间Heap分配FIFO内存空间，如果没有足够空间函数返回NULL

例如，如果我们想要创建一个可以存储10个整数的队列，可以使用以下代码：

QueueHandle_t xQueue = xQueueCreate(10, sizeof(int));

2.2 xQueueSend()：发送

在FreeRTOS中，我们可以使用xQueueSend()函数向队列中发送数据。该函数的原型如下所示：

BaseType_t xQueueSend(QueueHandle_t xQueue, const void * pvItemToQueue, TickType_t xTicksToWait);

其中，xQueue参数是要发送数据的队列句柄，pvItemToQueue参数是要发送的数据的指针，xTicksToWait参数是等待数据被发送的最大时间（以FreeRTOS时钟节拍为单位）。

xQueueSend() == xQueneSendToBack()将数据发送到队列尾
中断中，要使用xQueueSendToBackFromISR()安全版本的API

例如，如果我们想要将整数10发送到队列中，可以使用以下代码：

int data = 10;
BaseType_t result = xQueueSend(xQueue, &data, 100);

在上面的代码中，我们将整数10发送到队列中，并等待100个FreeRTOS时钟节拍来等待数据被发送。该函数的返回值是一个BaseType_t类型的值，用于指示数据是否成功发送到队列中。

2.3 xQueueReceive()：接收

在FreeRTOS中，我们可以使用xQueueReceive()函数从队列中接收数据。该函数的原型如下所示：

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

其中，xQueue参数是要接收数据的队列句柄，pvBuffer参数是一个指向缓冲区的指针，用于存储接收到的数据，xTicksToWait参数是等待数据被接收的最大时间（以FreeRTOS时钟节拍为单位）。

XQueueReceive()用于从FIFO中读取数据，读取完的单元数据同时会自动从FIFO中删除

例如，如果我们想要从队列中接收一个整数，可以使用以下代码：

int data;
BaseType_t result = xQueueReceive(xQueue, &data, 100);

在上面的代码中，我们从队列中接收一个整数，并等待100个FreeRTOS时钟节拍来等待数据被接收。该函数的返回值是一个BaseType_t类型的值，用于指示数据是否成功接收到了缓冲区中。

2.4 vQueueDelete()：删除

在FreeRTOS中，我们可以使用vQueueDelete()函数来删除一个队列。该函数的原型如下所示：

void vQueueDelete(QueueHandle_t xQueue);

其中，xQueue参数是要删除的队列句柄。例如，如果我们想要删除上面创建的队列，可以使用以下代码：

vQueueDelete(xQueue);

2.5 xQueuePeek() ：不删除的方式从FIFO读数据，读完不改变FIFO

同样中断中使用xQueueReceiveFromISR()

2.6 uxQueueMessagesWaiting()：返回FIFO中当前有效数据单元个数。

2.7 xQueueReset()：用于重置队列。

3. FreeRTOS FIFO的原理

FreeRTOS中所有的通讯与同步机制都是基于消息队列实现

队列就是链表
队列两个关键字：深度和每个单元的大小。其中深度即队列可保存的最大单元数

FIFO是具有自己独立权限的内核对象，并不属于Task的资源，所有任务都可以向同一个FIFO队列写入和读出。

读FIFO时task状态：

Task读取队列可设置一个阻塞超时时间，
1、正常情况下，在设置的超时时间内，如果FIFO为空，则task保持阻塞，当FIFO有数据写入（如其他Task或中断写FIFO），这时该Task将自动由阻塞态转为就绪态。
2、当等待的时间超过了设定的超时时间，即使队列为空，Task也会自动转为就绪态。
如果多个任务读取FIFO，则根据优先级以及等待时间来决定哪一个Task被解除阻塞

写FIFO时task状态：

当FIFO已满时，写队列的Task进入阻塞态以等待FIFO空间有效，同样可以设置阻塞超时时间。

在这里插入图片描述

关于优先级：

如果读队列Task优先级高 -> 队列一直是空的，反之写队列优先级高 -> 队列一直是满的

一旦读队列Task从队列中读走一个数据单元，某个写队列Task就会立即抢占读队列任务，把刚读走的位置重新写入，之后便又转入阻塞态以等待队列空间有效。

如果读队列task的优先级最低，则只有在所有写队列task都进入阻塞态时，读队列task才执行，而写队列只有在队列满时才会进入阻塞态，所以读队列task执行时队列一定是满的。

4. 代码示例

下面是一个简单的代码示例，演示了如何在FreeRTOS中使用FIFO队列：

#include <stdio.h>
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "queue.h"
#define QUEUE_LENGTH 5
#define QUEUE_ITEM_SIZE sizeof(int)
QueueHandle_t queue;
void producer_task(void *pvParameters)
{
    int i;
    for (i = 0; i < 10; i++) {
        printf("Producer: Sending %d to queue\n", i);
        xQueueSend(queue, &i, 0);
    }
    vTaskDelete(NULL);
}
void consumer_task(void *pvParameters)
{
    int item;
    while (1) {
        xQueueReceive(queue, &item, portMAX_DELAY);
        printf("Consumer: Received %d from queue\n", item);
    }
}
int main(void)
{
    queue = xQueueCreate(QUEUE_LENGTH, QUEUE_ITEM_SIZE);
    xTaskCreate(producer_task, "Producer", 1000, NULL, 1, NULL);
    xTaskCreate(consumer_task, "Consumer", 1000, NULL, 1, NULL);
    vTaskStartScheduler();
    return 0;
}