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FreeRTOS 消息队列

news 2025/6/20 2:59:18

1. 队列简介

1.1 队列的概念

队列是任务到任务、任务到中断、中断到任务数据交流的一种机制（消息传递）

类似全局变量？假设有一个全局变量a = 0，现有两个任务都在写这个变量 a：

大家想象一下如果任务 1 运行一次，任务 2 运行一次，理论上 a 等于什么？等于 2。但是大家想象一下，这个 a++ 在 C 语言这里其实它内部是分成很多个操作的，我们来看一下，内部首先就把 a 给读到 cpu 的寄存器 r0 里面，然后再把 r0 进行加一，然后加完之后，再把 r0 这个值给回这个 a 这个地址，这样的话 a 就变成 1 了，如果裸机的话，肯定是没有这种任务1、任务2 去干扰你。
但是 os 的话就存在这种可能了，比如任务 1 执行到第二步这里的时候被更高优先级的任务 2 给打断了，这时候有可能出现什么情况？那么假设一下，首先 a 本来是 0，读到 r0 里面，此时 r0 = r0 + 1 = 1，此时被任务 2 打断，那打断之后代表 r0 还没给到 a；那这时候任务 2 它同样的也是这么一个操作，因为任务 2 的优先级是最高的，所以它完整的执行了这 3 步，这时候 a 它还是 0，因为任务 1 还没有执行到第三步，还没给回 a，所以执行完这 3 步以后，a = 1，然后任务 2 执行完之后又回到任务 1 的第三步，那这时候 r0 它也是 1，1 它又赋值给 a，这时候它们运行的结果 a 就等于 1。
那这样的话执行了两个任务，都执行了一次，但是它实际的效果竟然 a = 1，这样就造成一个数据的受损。

全局变量的弊端：数据无保护，导致数据不安全，当多个任务同时对该变量操作时，数据易受损。

使用队列的情况如下：
在这里插入图片描述

本质：临界区->关中断->关闭优先级最低的 PendSV 中断->关闭任务调度。

队列的优点：读写队列做好了保护，防止多任务同时访问冲突；我们只需要直接调用API函数即可，简单易用！

FreeRTOS基于队列，实现了多种功能，其中包括队列集、互斥信号量、计数型信号量、二值信号量、递归互斥信号量，因此很有必要深入了解 FreeRTOS 的队列。

1.2 队列的特征

在队列中可以存储数量有限、大小固定的数据。队列中的每一个数据叫做“队列项目”，队列能够存储“队列项目”的最大数量称为队列的长度。

类似于数组。

在这里插入图片描述

注意：在创建队列时，就要指定队列长度以及队列项目的大小！

FreeRTOS 队列特点：

数据入队出队方式：队列通常采用 “先进先出”(FIFO) 的数据存储缓冲机制，即先入队的数据会先从队列中被读取，FreeRTOS中也可以配置为 “后进先出”(LIFO) 方式；
数据传递方式。FreeRTOS中队列采用实际值传递，即将数据拷贝到队列中进行传递。FreeRTOS采用拷贝数据传递，也可以传递指针，所以在传递较大的数据的时候采用指针传递。（像 ucos 是指针传递，把地址给写进去）

优点：互不干扰。
缺点：耗时比较长。

多任务访问。队列不属于某个任务，任何任务和中断都可以向队列发送/读取消息。
出队、入队阻塞。当任务向一个队列发送消息时，假设此时当队列已满无法入队，这时候就可以指定一个阻塞时间。

若阻塞时间为 0 ：直接返回不会等待；
若阻塞时间为 0~port_MAX_DELAY ：等待设定的阻塞时间，若在该时间内还无法入队，超时后直接返回不再等待；
若阻塞时间为 port_MAX_DELAY ：死等，一直等到可以入队为止。出队阻塞与入队阻塞类似；

入队阻塞：

队列满了，此时写不进去数据；
① 将该任务的状态列表项挂载在 pxDelayedTaskList（阻塞列表）；
② 将该任务的事件列表项挂载在 xTasksWaitingToSend（等待发送列表）；

出队阻塞：

队列为空，此时读取不了数据；
①将该任务的状态列表项挂载在 pxDelayedTaskList（阻塞列表）；
②将该任务的事件列表项挂载在 xTasksWaitingToReceive（等待接收列表）；

问题：当多个任务写入消息给一个“满队列”时，这些任务都会进入阻塞状态，也就是说有多个任务在等待同一个队列的空间。那当队列中有空间时，哪个任务会进入就绪态？

答：

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

1.3 队列基本操作过程

在这里插入图片描述

这时候这个 20 它会移到队列头部。

2. 队列结构体介绍

队列实际它的内存是分为两部分，第一个就是存放结构体的内存，接着是队列里面的队列项，它用来存放数据的，我们写入数据给队列就写入到队列项里面了。

typedef struct QueueDefinition 
{int8_t * pcHead							/* 存储区域的起始地址（队列项的起始地址） */int8_t * pcWriteTo;        				/* 下一个写入的位置 */union									/* 当把这个结构体用作不同的功能的时候，联合体的作用是不一样的 */{QueuePointers_t     xQueue; 		/* 当用作队列的时候，就使用的上面这个 */SemaphoreData_t  xSemaphore; 		/* 当用作互斥信号量的时候，就使用的下面这个 */} u ;List_t xTasksWaitingToSend; 			/* 等待发送列表 */List_t xTasksWaitingToReceive;			/* 等待接收列表 */volatile UBaseType_t uxMessagesWaiting; /* 非空闲队列项目的数量 */UBaseType_t uxLength；					/* 队列长度 */UBaseType_t uxItemSize;                 /* 队列项目的大小 */volatile int8_t cRxLock; 				/* 读取上锁计数器 */volatile int8_t cTxLock；				/* 写入上锁计数器 *//* 其他的一些条件编译 */
} xQUEUE;

上锁计数器：当锁住队列的时候，此时还是可以正常读写队列的，只不过操作不了它的等待发送和等待接收这两个列表；当解锁的时候，才会去操作这两个列表。那这个就叫队列锁。

当用于队列使用时：

typedef struct QueuePointers
{int8_t * pcTail; 					/* 存储区的结束地址 */int8_t * pcReadFrom;				/* 最后一个读取队列的地址 */
} QueuePointers_t;

当用于互斥信号量和递归互斥信号量时：

typedef struct SemaphoreData
{TaskHandle_t xMutexHolder;			/* 互斥信号量持有者 */UBaseType_t uxRecursiveCallCount;	/* 递归互斥信号量的获取计数器 */
} SemaphoreData_t;

队列结构体整体示意图：

在这里插入图片描述

3. 队列相关 API 函数介绍

使用队列的主要流程：创建队列->写队列->读队列。

3.1 创建队列

创建队列相关API函数介绍：

函数	描述
xQueueCreate()	动态方式创建队列
xQueueCreateStatic()	静态方式创建队列

动态和静态创建队列之间的区别：

动态：队列所需的内存空间由 FreeRTOS 从 FreeRTOS 管理的堆中自动分配。
静态：创建需要用户自行分配内存。

3.1.1 动态创建队列（常用）

#define	xQueueCreate(  uxQueueLength,   uxItemSize  )						xQueueGenericCreate( ( uxQueueLength ), ( uxItemSize ), (queueQUEUE_TYPE_BASE ))

此函数用于使用动态方式创建队列，队列所需的内存空间由 FreeRTOS 从 FreeRTOS 管理的堆中自动分配。

形参	描述
uxQueueLength	队列长度
uxItemSize	队列项目的大小

返回值	描述
NULL	队列创建失败
其他值	队列创建成功，返回队列句柄

前面说 FreeRTOS 基于队列实现了多种功能，每一种功能对应一种队列类型，队列类型的 queue.h 文件中有定义：

#define queueQUEUE_TYPE_BASE                  	( ( uint8_t ) 0U )	/* 队列 */
#define queueQUEUE_TYPE_SET                  	( ( uint8_t ) 0U )	/* 队列集 */
#define queueQUEUE_TYPE_MUTEX                 	( ( uint8_t ) 1U )	/* 互斥信号量 */
#define queueQUEUE_TYPE_COUNTING_SEMAPHORE    	( ( uint8_t ) 2U )	/* 计数型信号量 */
#define queueQUEUE_TYPE_BINARY_SEMAPHORE     	( ( uint8_t ) 3U )	/* 二值信号量 */
#define queueQUEUE_TYPE_RECURSIVE_MUTEX       	( ( uint8_t ) 4U )	/* 递归互斥信号量 */ ```

3.2 写队列

往队列写入消息API函数：

函数（任务级+中断级）	描述
xQueueSend()	往队列的尾部写入消息
xQueueSendToBack()	同 xQueueSend()
xQueueSendToFront()	往队列的头部写入消息
xQueueOverwrite()	覆写队列消息（只用于队列长度为 1 的情况）
xQueueSendFromISR()	在中断中往队列的尾部写入消息
xQueueSendToBackFromISR()	同 xQueueSendFromISR()
xQueueSendToFrontFromISR()	在中断中往队列的头部写入消息
xQueueOverwriteFromISR()	在中断中覆写队列消息（只用于队列长度为 1 的情况）

队列写入消息

#define	xQueueSend(  xQueue,   pvItemToQueue,   xTicksToWait  )xQueueGenericSend( ( xQueue ), ( pvItemToQueue ), ( xTicksToWait ), queueSEND_TO_BACK )
#define	xQueueSendToBack(  xQueue,   pvItemToQueue,   xTicksToWait  )xQueueGenericSend( ( xQueue ), ( pvItemToQueue ), ( xTicksToWait ), queueSEND_TO_BACK )
#define	xQueueSendToFront(  xQueue,   pvItemToQueue,   xTicksToWait  )xQueueGenericSend( ( xQueue ), ( pvItemToQueue ), ( xTicksToWait ), queueSEND_TO_FRONT )
#define	xQueueOverwrite(  xQueue,   pvItemToQueue  )xQueueGenericSend( ( xQueue ), ( pvItemToQueue ), 0, queueOVERWRITE )

可以看到这几个写入函数调用的是同一个函数 xQueueGenericSend()，只是指定了不同的写入位置！

覆写：队列长度为 1，只有一个队列项目，比如队列里有数据了，那覆写就是不管队列中有没有数据，都会再写进去覆盖，就是永远是写的进去的，所以是不会阻塞的，所以它的默认阻塞时间是 0，就直接跳过，直接继续写。
其他像尾部写入、头部写入，那这些它们都是会阻塞的，它们都是有一个阻塞时间的设置的，如果队列满了之后，它是写不进去的。那这个是覆写方式与其他方式它们之间的一个区别。

队列一共有 3 种写入位置：

#define queueSEND_TO_BACK               ( ( BaseType_t ) 0 )		/* 写入队列尾部 */
#define queueSEND_TO_FRONT              ( ( BaseType_t ) 1 )		/* 写入队列头部 */
#define queueOVERWRITE                  ( ( BaseType_t ) 2 )		/* 覆写队列 */

注意：覆写方式写入队列，只有在队列的队列长度为 1 时，才能够使用

往队列写入消息函数入口参数解析：

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

形参	描述
xQueue	待写入的队列
pvItemToQueue	待写入消息
xTicksToWait	阻塞超时时间
xCopyPosition	写入的位置

返回值	描述
pdTRUE	队列写入成功
errQUEUE_FULL	队列写入失败

3.3 读队列

从队列读取消息API函数：

函数（任务级+中断级）	描述
xQueueReceive()	从队列头部读取消息，并删除消息
xQueuePeek()	从队列头部读取消息
xQueueReceiveFromISR()	在中断中从队列头部读取消息，并删除消息
xQueuePeekFromISR()	在中断中从队列头部读取消息

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

此函数用于在任务中，从队列中读取消息，并且消息读取成功后，会将消息从队列中移除。

形参	描述
xQueue	待读取的队列
pvBuffer	信息读取缓冲区
xTicksToWait	阻塞超时时间

返回值	描述
pdTRUE	读取成功
pdFALSE	读取失败

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

此函数用于在任务中，从队列中读取消息，但与函数 xQueueReceive()不同，此函数在成功读取消息后，并不会移除已读取的消息！

形参	描述
xQueue	待读取的队列
pvBuffer	信息读取缓冲区
xTicksToWait	阻塞超时时间

返回值	描述
pdTRUE	读取成功
pdFALSE	读取失败

4. 队列操作实验

实验目的：学习 FreeRTOS 的队列相关API函数的使用，实现队列的入队和出队操作。
实验设计：将设计四个任务：start_task、task1、task2、task3

四个任务的功能如下：
start_task：用来创建task1和task2以及task3任务
task1：当按键 key0 或 key1 按下，将键值拷贝到队列 key_queue（入队）；当按键 key_up 按下，将传输大数据，这里拷贝大数据的地址到队列 big_date_queue 中。
task2：读取队列 key_queue 中的消息（出队），打印出接收到的键值。
task3：从队列 big_date_queue 读取大数据地址，通过地址访问大数据。

4.1 创建队列

#include "queue.h"QueueHandle_t key_queue;        /* 小数据句柄 */
QueueHandle_t big_date_queue;   /* 大数据句柄 */
char buff[100] = {"我是一个大数组，大大的数组 124214 uhsidhaksjhdklsadhsaklj"};
/*** @brief       FreeRTOS例程入口函数* @param       无* @retval      无*/
void freertos_demo(void)
{    /* 队列的创建 */key_queue = xQueueCreate( 2, sizeof(uint8_t) );if(key_queue != NULL){printf("key_queue队列创建成功！！\r\n");}else printf("key_queue队列创建失败！！\r\n");big_date_queue = xQueueCreate( 1, sizeof(char *) );if(big_date_queue != NULL){printf("big_date_queue队列创建成功！！\r\n");}else printf("big_date_queue队列创建失败！！\r\n");xTaskCreate((TaskFunction_t         )   start_task,(char *                 )   "start_task",(configSTACK_DEPTH_TYPE )   START_TASK_STACK_SIZE,(void *                 )   NULL,(UBaseType_t            )   START_TASK_PRIO,(TaskHandle_t *         )   &start_task_handler );vTaskStartScheduler();
}

4.2 任务函数实现

/* 任务一，实现入队 */
void task1( void * pvParameters )
{uint8_t key = 0;char * buf;buf = buff; 														/* buf = &buff[0] */BaseType_t   err = 0;while(1) {key = key_scan(0);if(key == KEY0_PRES || key == KEY1_PRES){err = xQueueSend( key_queue, &key, portMAX_DELAY );			/* 写入队列、死等 */if(err != pdTRUE){printf("key_queue队列发送失败\r\n");}}else if(key == WKUP_PRES){err = xQueueSend( big_date_queue, &buf, portMAX_DELAY );	/* 写入队列、死等 */if(err != pdTRUE){printf("key_queue队列发送失败\r\n");}}vTaskDelay(10);}
}/* 任务二，小数据出队 */
void task2( void * pvParameters )
{uint8_t key = 0;BaseType_t err = 0;while(1){err = xQueueReceive(key_queue, &key, portMAX_DELAY);if(err != pdTRUE){printf("key_queue队列读取失败\r\n");}else {printf("key_queue读取队列成功，数据：%d\r\n",key);}}
}/* 任务三，大数据出队 */
void task3( void * pvParameters )
{char * buf;BaseType_t err = 0;while(1){err = xQueueReceive(big_date_queue, &buf, portMAX_DELAY);if(err != pdTRUE){printf("big_date_queue队列读取失败\r\n");}else {printf("数据：%s\r\n",buf);}}
}

5. 队列相关API函数解析

队列的创建API函数：xQueueCreate( )
往队列写入数据API函数（入队）：xQueueSend( )
从队列读取数据API函数（出队）： xQueueReceive( )

更多的队列相关API函数讲解可以查看《FreeRTOS开发指南》第十三章—队列