FreeRTOS学习笔记（六）队列

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前言

  队列（Queue） 是一种用于任务间通信和同步的重要机制。它允许不同任务或者中断服务例程之间交换数据，而无需直接共享变量。这种机制不仅确保数据在任务之间传递的安全性，还解决了多任务系统中的并发和同步问题。

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一、队列的基本内容

1.1 队列的引入

  在以前的代码中，如果我们想让一个变量在不同函数中进行传递操作，下意识可能会想到全局变量，但是这种方式存在一个问题：当我们使用freertos时，低优先级的任务会被高优先级的任务打断，这意味着可能会导致变量的结果不可控。为了解决这个问题，我们引入了队列，他自带临界保护，我们只要进行相关的API操作即可。在队列中可以存储固定大小且有限的数据，其中每一个数据叫“队列项目”，而所能存储的最大“队列项目”的数量称为队列的长度。除了可以被多任务访问之外，队列还有以下的特性：

• FreeRTOS 中的队列是先进先出的结构，即最先插入队列的数据会最先被读取；
• 队列的长度和每个队列项的大小在创建时由用户指定；
• FreeRTOS 提供了阻塞模式和非阻塞模式的队列操作。如果任务需要立即返回，可以使用超时为 0 的非阻塞模式；如果任务愿意等待队列有空位或数据，可以设置阻塞时间（如 0~portMAX_DELAY）让任务进入阻塞状态；
• FreeRTOS 中的队列在数据传递时通常会直接拷贝数据进行实值传输，当然也可以传递指针。

1.2 FreeRTOS 队列的功能与作用

• 任务间通信：FreeRTOS 的队列可以让多个任务之间安全地传递数据。例如，一个任务可以向队列发送数据，另一个任务从队列读取数据。这使得不同任务之间可以高效地共享信息，而不需要频繁访问全局变量。
• 任务与中断间通信：队列不仅适用于任务间通信，还适用于中断和任务之间的通信。FreeRTOS 提供了特定的 ISR（中断服务例程）函数，比如 xQueueSendFromISR() 和 xQueueReceiveFromISR()，可以让中断处理函数安全地与任务交换数据。
• 同步与调度：当一个任务尝试从空队列中读取数据时，任务可以选择进入阻塞状态，直到有数据可读。当另一个任务或中断向队列中发送数据时，等待的任务会被唤醒并立即处理数据。这样，队列不仅传递数据，还能用作同步机制，协调任务间的执行顺序。
• 队列引发的任务切换： 在 FreeRTOS 中，如果一个任务向队列发送数据，并唤醒了一个更高优先级的任务，该任务会立刻抢占当前任务进行执行。这使得队列不仅用于数据交换，还起到了一定的任务调度作用。

1.3 队列的结构体

  在 FreeRTOS 中，队列是通过一个结构体来实现的。虽然具体实现可能根据不同平台有所调整，但通常队列的结构体包含了队列长度、队列项大小、存储数据的缓冲区指针、队列的头尾指针、队列的同步机制（如等待队列的任务列表）等信息。在 FreeRTOS 的源码中，定义队列的结构体一般为 QueueDefinition，其在 queue.c 中实现，通常通过类型定义 QueueHandle_t 来间接引用该结构体。

struct QueueDefinition  
{int8_t *pcHead;          /* 指向队列存储区的指针（队列缓冲区的头部） */int8_t *pcTail;          /* 指向队列存储区的尾部 */int8_t *pcWriteTo;       /* 指向队列中下一个写入位置 */int8_t *pcReadFrom;      /* 指向队列中下一个读取位置 */UBaseType_t uxMessagesWaiting;  /* 队列中的消息数 */UBaseType_t uxLength;           /* 队列的长度（队列项的最大数量） */UBaseType_t uxItemSize;         /* 每个队列项的大小（以字节为单位） */TaskHandle_t xTasksWaitingToSend;   /* 等待发送的任务列表 */TaskHandle_t xTasksWaitingToReceive;/* 等待接收的任务列表 *//* 下面的成员用于同步多任务或中断访问队列 */BaseType_t xRxLock;           /* 接收锁，用于控制接收操作 */BaseType_t xTxLock;           /* 发送锁，用于控制发送操作 *//* Mutexes 和 Semaphores 使用的额外信息 */UBaseType_t uxQueueType;      /* 队列的类型（普通队列、互斥量、信号量等） */...
} xQUEQUE;

  值得一提的是，这个结构体中还包含了一个联合体，它的作用是允许 QueueDefinition 结构体根据队列类型的不同（普通消息队列、信号量、互斥量）共享不同的结构。具体而言：对于普通的消息队列，队列用 xQueue 这个结构来管理等待发送和等待接收的任务列表；对于互斥量，队列使用 xMutex 这个结构来管理递归计数和互斥量的持有者。通过这个联合体，队列的结构体可以根据不同的队列类型选择不同的字段来使用，从而节省内存，并让队列既能处理消息队列，也能处理信号量和互斥量。

 /* 通过联合体实现不同类型队列的支持 */union{/* 用于消息队列和信号量 */struct{UBaseType_t uxRecursiveCallCount;  /* 递归互斥量使用时的递归计数 */TaskHandle_t xMutexHolder;         /* 持有互斥量的任务句柄 */} xMutex;/* 用于普通队列 */struct{List_t xTasksWaitingToSend;        /* 等待发送的任务列表 */List_t xTasksWaitingToReceive;     /* 等待接收的任务列表 */} xQueue;} u;  /* 联合体名称 */

参数说明：

• uxRecursiveCallCount 用于递归互斥量的递归调用计数，这样持有互斥量的任务可以多次锁定互斥量。
• xMutexHolder 用于保存当前持有互斥量的任务句柄。

1.4 队列的使用流程

1. 创建队列：可以指定队列的长度和每个队列项的大小（例如，传递一个整数，结构体，或者更复杂的数据）。
2. 向队列发送数据：一个任务可以使用 xQueueSend() 或 xQueueSendToBack() 向队列中发送数据，如果队列已满，任务可以选择进入阻塞状态，直到队列有空位，或者直接返回发送失败。
3. 从队列读取数据：任务可以使用 xQueueReceive() 从队列中读取数据，如果队列为空，任务可以选择阻塞，直到有数据可读取。
4. 中断安全的队列操作：如果队列操作发生在中断服务例程中，FreeRTOS 提供了 xQueueSendFromISR() 和 xQueueReceiveFromISR() 等函数，以确保队列操作的线程安全。

二、相关API详解

  FreeRTOS 提供了丰富的队列相关 API，用于在任务之间或中断和任务之间传递数据，进行任务同步。队列机制是 FreeRTOS 中最常用的 IPC（进程间通信）工具之一。以下是一些常用的队列 API 及其功能介绍：

2.1 xQueueCreate

// 功能：创建一个新的队列，并返回该队列的句柄。
QueueHandle_t xQueueCreate(UBaseType_t uxQueueLength, UBaseType_t uxItemSize);

• 参数：
  • uxQueueLength：队列中可以容纳的最大数据项数
  • uxItemSize：每个队列项的大小（以字节为单位）
• 返回值：
  • 成功：队列句柄
  • 失败：NULL

  这里简单提一下，xQueueCreate的实现是调用了xQueueGenericCreate这个的底层函数，所有的队列（包括普通队列、信号量、互斥量）都通过这个函数创建。通常我们不会直接调用 xQueueGenericCreate，而是使用更高层的 API，如 xQueueCreate、xSemaphoreCreate 等。

QueueHandle_t xQueueGenericCreate(UBaseType_t uxQueueLength, UBaseType_t uxItemSize, uint8_t ucQueueType);

• 参数说明
  • uxQueueLength：队列的长度，即队列中可以容纳的最大数据项数。
  • uxItemSize：每个队列项的大小（以字节为单位）。如果创建的是信号量或互斥量，这个值为 0。
  • ucQueueType：队列的类型，常见的类型有：
    • queueQUEUE_TYPE_BASE：普通队列
    • queueQUEUE_TYPE_SET：队列集
    • queueQUEUE_TYPE_MUTEX：互斥量
    • queueQUEUE_TYPE_BINARY_SEMAPHORE：二元信号量
    • queueQUEUE_TYPE_COUNTING_SEMAPHORE：计数信号量
• 返回值
  • 成功：创建的队列的句柄
  • 失败：返回 NULL

2.2 xQueueSend

// 功能 ：将一个项目发送到队列中，如果队列满，任务将阻塞直到有空间可用或超时（不可应用于中断）
BaseType_t xQueueSend(QueueHandle_t xQueue, const void *pvItemToQueue, TickType_t xTicksToWait);

• 参数：
  • xQueue：队列的句柄
  • pvItemToQueue：指向要放入队列的数据项的指针
  • xTicksToWait：如果队列满，任务等待插入的时间（以 Tick 数表示），portMAX_DELAY 表示无限等待
• 返回值：
  • 成功：pdPASS
  • 失败：errQUEUE_FULL（队列已满）

2.3 xQueueReceive

// 功能：从队列中接收一个项目，如果队列为空，任务将阻塞直到有数据可用或超时。
BaseType_t xQueueReceive(QueueHandle_t xQueue, void *pvBuffer, TickType_t xTicksToWait);

• 参数：
  • xQueue：队列的句柄
  • pvBuffer：指向接收数据项的缓冲区
  • xTicksToWait：如果队列为空，任务等待接收的时间（以 Tick 数表示），portMAX_DELAY 表示无限等待
• 返回值：
  • 成功：pdPASS
  • 失败：errQUEUE_EMPTY（队列为空）

2.4 xQueueSendFromISR

// 功能：从中断服务例程（ISR）中向队列发送数据，与 xQueueSend 类似，但适用于中断上下文。
BaseType_t xQueueSendFromISR(QueueHandle_t xQueue, const void *pvItemToQueue, BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken);

• 参数：
  • xQueue：队列的句柄
  • pvItemToQueue：指向要放入队列的数据项的指针
  • pxHigherPriorityTaskWoken：如果发送数据后需要进行任务切换，设置为 pdTRUE
• 返回值：
  • 成功：pdPASS
  • 失败： errQUEUE_FULL

2.5 xQueueReceiveFromISR

// 功能：从中断服务例程（ISR）中接收队列数据。与 xQueueReceive 类似，但适用于中断上下文。
BaseType_t xQueueReceiveFromISR(QueueHandle_t xQueue, void *pvBuffer, BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken);

• 参数：
  • xQueue：队列的句柄。
  • pvBuffer：指向接收数据项的缓冲区。
  • pxHigherPriorityTaskWoken：如果接收数据后需要进行任务切换，设置为 pdTRUE。
• 返回值：
  • 成功：pdPASS
  • 失败：errQUEUE_EMPTY

2.6 uxQueueMessagesWaiting

// 功能：返回队列中当前存储的消息数。
UBaseType_t uxQueueMessagesWaiting(QueueHandle_t xQueue);

• 参数：
  • xQueue：队列的句柄
• 返回值：队列中已存储的消息数

2.7 uxQueueSpacesAvailable

// 功能：返回队列中剩余可用的空间数。
UBaseType_t uxQueueSpacesAvailable(QueueHandle_t xQueue);

• 参数：
  • xQueue：队列的句柄。
• 返回值：队列中剩余的可用空间数量

2.8 vQueueDelete

// 功能：删除队列并释放其占用的内存。
void vQueueDelete(QueueHandle_t xQueue);

• 参数：
  • xQueue：要删除的队列句柄

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