• FreeRTOS队列（queue）

    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：
     

    1. QueueHandle_t xQueueCreateStatic(
    2.     UBaseType_t uxQueueLength,
    3.     UBaseType_t uxItemSize,
    4.     uint8_t *pucQueueStorageBuffer,
    5.     StaticQueue_t *pxQueueBuffer
    6. )

    示例代码：

    1. // 示例代码
    2. #define QUEUE_LENGTH 10
    3. #define ITEM_SIZE sizeof( uint32_t )
    4.  
    5. // xQueueBuffer 用来保存队列结构体
    6. StaticQueue_t xQueueBuffer;
    7.  
    8. // ucQueueStorage 用来保存队列的数据
    9. // 大小为： 队列长度 * 数据大小
    10. uint8_t ucQueueStorage[ QUEUE_LENGTH * ITEM_SIZE ];
    11.  
    12. void vATask( void *pvParameters )
    13. {
    14.     QueueHandle_t xQueue1;
    15.     // 创建队列: 可以容纳 QUEUE_LENGTH 个数据，每个数据大小是 ITEM_SIZE
    16.     xQueue1 = xQueueCreateStatic( QUEUE_LENGTH,
    17.         ITEM_SIZE,
    18.         ucQueueStorage,
    19.         &xQueueBuffer );
    20. }

    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：

    1. /* pxQueue : 复位哪个队列;
    2. * 返回值: pdPASS(必定成功)
    3. */
    4. 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：
          

    1. /* 等同于xQueueSendToBack
    2. * 往队列尾部写入数据，如果没有空间，阻塞时间为xTicksToWait
    3. */
    4. BaseType_t xQueueSend(
    5. QueueHandle_t xQueue,
    6. const void *pvItemToQueue,
    7. TickType_t xTicksToWait
    8. );
    9.  
    10.  
    11.  
    12. /*
    13. * 往队列尾部写入数据，如果没有空间，阻塞时间为xTicksToWait
    14. */
    15. BaseType_t xQueueSendToBack(
    16. QueueHandle_t xQueue,
    17. const void *pvItemToQueue,
    18. TickType_t xTicksToWait
    19. );
    20.  
    21.  
    22.  
    23. /*
    24. * 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
    25. */
    26. BaseType_t xQueueSendToBackFromISR(
    27. QueueHandle_t xQueue,
    28. const void *pvItemToQueue,
    29. BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken
    30. );
    31.  
    32.  
    33.  
    34. /*
    35. * 往队列头部写入数据，如果没有空间，阻塞时间为xTicksToWait
    36. */
    37. BaseType_t xQueueSendToFront(
    38. QueueHandle_t xQueue,
    39. const void *pvItemToQueue,
    40. TickType_t xTicksToWait
    41. );
    42.  
    43.  
    44. /*
    45. * 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
    46. */
    47. BaseType_t xQueueSendToFrontFromISR(
    48. QueueHandle_t xQueue,
    49. const void *pvItemToQueue,
    50. BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken
    51. );

      

    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：

    1. BaseType_t xQueueReceive( QueueHandle_t xQueue,
    2. void * const pvBuffer,
    3. TickType_t xTicksToWait );
    4.  
    5.  
    6. BaseType_t xQueueReceiveFromISR(
    7. QueueHandle_t xQueue,
    8. void *pvBuffer,
    9. BaseType_t *pxTaskWoken
    10. );

    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：
     

    1. /*
    2. * 返回队列中可用数据的个数
    3. */
    4. UBaseType_t uxQueueMessagesWaiting( const QueueHandle_t xQueue );
    5. /*
    6. * 返回队列中可用空间的个数
    7. */
    8. 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
     

    1. /* 覆盖队列
    2. * xQueue: 写哪个队列
    3. * pvItemToQueue: 数据地址
    4. * 返回值: pdTRUE表示成功, pdFALSE表示失败
    5. */
    6. BaseType_t xQueueOverwrite(
    7. QueueHandle_t xQueue,
    8. const void * pvItemToQueue
    9. );
    10. BaseType_t xQueueOverwriteFromISR(
    11. QueueHandle_t xQueue,
    12. const void * pvItemToQueue,
    13. BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken
    14. );

    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。
     

    1. /* 偷看队列
    2. * xQueue: 偷看哪个队列
    3. * pvItemToQueue: 数据地址, 用来保存复制出来的数据
    4. * xTicksToWait: 没有数据的话阻塞一会
    5. * 返回值: pdTRUE表示成功, pdFALSE表示失败
    6. */
    7. BaseType_t xQueuePeek(
    8. QueueHandle_t xQueue,
    9. void * const pvBuffer,
    10. TickType_t xTicksToWait
    11. );
    12. BaseType_t xQueuePeekFromISR(
    13. QueueHandle_t xQueue,
    14. void *pvBuffer,
    15. );

    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：
     

    1. /* 定义一个字符数组 */
    2. static char pcBuffer[100];
    3. /* vSenderTask被用来创建2个任务，用于写队列
    4. * vReceiverTask被用来创建1个任务，用于读队列
    5. */
    6. static void vSenderTask( void *pvParameters );
    7. static void vReceiverTask( void *pvParameters );
    8. /*-----------------------------------------------------------*/
    9. /* 队列句柄, 创建队列时会设置这个变量 */
    10. QueueHandle_t xQueue;
    11. int main( void )
    12. {
    13. prvSetupHardware();
    14. /* 创建队列: 长度为1，数据大小为4字节(存放一个char指针) */
    15. xQueue = xQueueCreate( 1, sizeof(char *) );
    16. if( xQueue != NULL )
    17. {
    18. /* 创建1个任务用于写队列
    19. * 任务函数会连续执行，构造buffer数据，把buffer地址写入队列
    20. * 优先级为1
    21. */
    22. xTaskCreate( vSenderTask, "Sender", 1000, NULL, 1, NULL );
    23. /* 创建1个任务用于读队列
    24. * 优先级为2, 高于上面的两个任务
    25. * 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
    26. */
    27. xTaskCreate( vReceiverTask, "Receiver", 1000, NULL, 2, NULL );
    28. /* 启动调度器 */
    29. vTaskStartScheduler();
    30. }
    31. else
    32. {
    33. /* 无法创建队列 */
    34. }
    35. /* 如果程序运行到了这里就表示出错了, 一般是内存不足 */
    36. return 0;
    37. }

    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
     

    1. static void vSenderTask( void *pvParameters )
    2. {
    3.     BaseType_t xStatus;
    4.     static int cnt = 0;
    5.     char *buffer;
    6.     /* 无限循环 */
    7.     for( ;; )
    8.     {
    9.         sprintf(pcBuffer, "www.100ask.net Msg %d\r\n", cnt++);
    10.         buffer = pcBuffer; // buffer变量等于数组的地址, 下面要把这个地址写入队列
    11.  
    12.             /* 写队列
    13.         * xQueue: 写哪个队列
    14.         * 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
    15.         * 0: 如果队列满的话, 即刻返回
    16.         */
    17.         xStatus = xQueueSendToBack( xQueue, &buffer, 0 ); /* 只需要写入4字节, 无需写入
    18.         整个buffer */
    19.  
    20.         if( xStatus != pdPASS )
    21.         {
    22.             printf( "Could not send to the queue.\r\n" );
    23.         }
    24.     }
    25. }

    接收任务的函数中，读取队列、得到buffer的地址、打印，代码如下
     

    1. static void vReceiverTask( void *pvParameters )
    2. {
    3.     /* 读取队列时, 用这个变量来存放数据 */
    4.     char *buffer;
    5.     const TickType_t xTicksToWait = pdMS_TO_TICKS( 100UL );
    6.     BaseType_t xStatus;
    7.     /* 无限循环 */
    8.     for( ;; )
    9.     {
    10.         /* 读队列
    11.         * xQueue: 读哪个队列
    12.         * &xReceivedStructure: 读到的数据复制到这个地址
    13.         * xTicksToWait: 没有数据就阻塞一会
    14.         */
    15.         xStatus = xQueueReceive( xQueue, &buffer, xTicksToWait); /* 得到buffer地址，只
    16.         是4字节 */
    17.         if( xStatus == pdPASS )
    18.         {
    19.             /* 读到了数据 */
    20.             printf("Get: %s", buffer);
    21.         }
    22.         else
    23.         {
    24.             /* 没读到数据 */
    25.             printf( "Could not receive from the queue.\r\n" );
    26.         }
    27.     }
    28. }

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  • 原文地址：https://blog.csdn.net/a1233219/article/details/139708399