FreeRTOS——消息队列

目录

一、概念及其作用

1.1概念

1.2特点

 1.3工作原理

 二、相关API

2.1创建队列

2.2任务中写队列

2.3任务中读队列

2.4中断中写队列

2.5中断中读队列

三、实现原理

3.1消息队列控制块

3.2消息队列的创建

3.3消息的发送

3.3.1任务中发送

3.3.2中断中发送

3.4消息的接收

3.4.1任务中接收

3.4.2中断中接收

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一、概念及其作用

1.1概念

FreeRTOS中的消息队列是用与多任务间通信的一种机制。本身队列也是一种FIFO（先进先出）的数据共享结构，凭借这个特点，FreeRTOS操作系统可以实现任务解耦、任务间数据传输。

• 任务解耦：任务之间通过队列进行通信，可以减少任务之间的耦合度，提高代码的模块化程度
• 任务间数据传输：作为共享资源，各任务可以通过向队列读、写数据，实现数据共享和同步

队列中的数据通过发送入队，读取时可以决定是否出队（即是否清除）

FreeRTOS中使用消息队列传输数据默认通过数据拷贝，也就是将发送的数据拷贝到队列中（属于值传递），费时但原始数据可以清除或者覆写

uCOS中的消息队列则采用引用传递，传递的是消息指针。这种方式需要保证传递的消息一直是可见且有效的，像局部变量这种生命周期短的就不能作为消息，但它的好处是节省时间！

因此，虽然默认使用值传递，当要发送的数据太大时，可以考虑发送消息缓冲区的指针

1.2特点

• FIFO先入先出
• 尾写入头读出（可变成头写入尾读出）
• “数据中转站”
• “多对多”
• 消息不定长
• 解决无序

 1.3工作原理

队列的实质是：RAM的一段内存空间

 二、相关API

队列的使用流程: 创建队列、写队列、读队列、删除队列（需要的情况下使用...）

2.1创建队列

掌握动态的即可

#inlcude "FreeRTOS.h"
#include "queue.h"/*创建队列*/
QueueHandle_t xQueueCreat(UBaseType_t uxQueueLength, UBaseType_t uxItemSize)func:dynamically creat queue and return  QueueHandle //动态创建队列并返回句柄params: uxQueueLength 队列一次可容纳消息的最大长度uxItemSize    每个消息体大小  字节为单位，未知的可用sizeofreturn: NULL： 创建失败Any other value: 成功并返回句柄matters needing attention: 
Queue can be used between task and task or task and isr;
Queues can be created before the Scheduler is started; 

2.2任务中写队列

#inlcude "FreeRTOS.h"
#include "queue.h"/*任务中写队列*/
BaseType_t xQueueSend(QueueHandle_t xQueue,const void *pvItemToQueue,TickType_t xTicksToWait) //xQueueSendToFront用于头部紧急插入消息func:transmit message to queue in taskparams: xQueue 		  要发送进消息的队列句柄pvItemToQueue 要发送的消息的地址xTicksToWait  阻塞等待时间return: pdPass 发送成功errQUEUE_FULL 队列已满发送失败matters needing attention: None

2.3任务中读队列

#inlcude "FreeRTOS.h"
#include "queue.h"/*任务中读队列*/
BaseType_t xQueueReceive(QueueHandle_t xQueue,const void *pvBuffer,TickType_t xTicksToWait) func:receive message from queue in taskparams: xQueue 		  要读取消息的队列句柄pvBuffer 	  接收消息的缓冲区xTicksToWait  阻塞等待时间return: pdPass 发送成功errQUEUE_FULL 队列已满发送失败matters needing attention: None

2.4中断中写队列

#inlcude "FreeRTOS.h"
#include "queue.h"/*中断中写队列      xQueueSendToFrontFromISR用于头部紧急插入消息*/
BaseType_t xQueueSendFromISR(QueueHandle_t xQueue,const void *pvItemToQueue,BaseType_t 																									    *pxHigherPriorityTaskWoken)    
func:transmit message to queue in ISRparams: xQueue 		  				要发送进消息的队列句柄pvItemToQueue 				要发送的消息的地址pxHigherPriorityTaskWoken   NULL即可return: pdTrue 发送成功errQUEUE_FULL 队列已满发送失败matters needing attention: 
调用此函数，会触发上下文切换
启用调度器之前，不能调用此函数

2.5中断中读队列

#inlcude "FreeRTOS.h"
#include "queue.h"/*中断中读队列*/
BaseType_t xQueueReceiveFromISR(QueueHandle_t xQueue,const void *pvBuffer,BaseType_t 																									    *pxHigherPriorityTaskWoken)func:receive message from queue in ISRparams: xQueue 		  			   要发送进消息的队列句柄pvBuffer 	 			   接收消息的缓冲区pxHigherPriorityTaskWoken  NULL即可return: pdPass 发送成功pdFAIL 消息队列为空matters needing attention: 
调用此函数，会触发上下文切换
启用调度器之前，不能调用此函数

可以看到：中断中相关的API都没有xTicksToWait，因为本身中断就是为了紧急响应的，快响应快解决！！！

三、实现原理

3.1消息队列控制块

3.2消息队列的创建

 xQueueCreat（实际接口xQueueGenericCreat ）

xQueueGenericCreat其中参数queueQueue_Type_BASE 属于队列的一种类型，基于队列创建了很多这样的类型，包括互斥锁、计数信号量、二值信号量、递归锁，可以看出：信号量基于队列实现

• 判断队列空间是否为空

  • 是则队列大小赋值为0

  • 否则计算队列大小=Length*ItemSize

• 申请内存空间（QCB+队列大小），找到队列操作空间首地址

• 初始化消息队列api（队列句柄、长度、size、队列操作空间首地址）

  • 判断队列空间是否为空，是则把QCB首地址赋值到队列头指针

  • 否则把队列操作空间首地址赋值给队列头指针

  • 确定队列Length、ItemSize

• 队列重置函数api（队列句柄、操作队列的状态 （一般是传进了pdTRUE））

  • 进入临界段

  • 头指针赋值，未读消息个数为0，写入指针赋值给头指针，读出指针赋值为头指针+（长度-1）*ItemSize，读写锁解锁

  • 判断新建队列状态是否为pdFALSE，是则判断等待发送任务列表项是否有任务，是则移除进行上下文切换

  • 否则新建队列，初始化发送、接收列表项

  • 退出临界段

3.3消息的发送

3.3.1任务中发送

 xQueueSend——实际接口为xQueueGenericSend（多了一个参数queSend_TO_BACK，有关入队类型的，尾插、头插或覆盖入队）

• 采用了for循环，为了快速处理数据拷贝的工作

• 挂起调度器——不让任务打断

• 锁定队列——不让中断打断

• 队列上锁——把发送和接收锁都赋值为上锁初始值

3.3.2中断中发送

 xQueueSendFromISR——实际接口为xQueueGenericSendFromISR

• 关闭中断同时保存中断状态值

• 队列解锁prvUnlockQueue

  • 进入临界段

  • 获取发送锁的状态值

  • 遍历直到发送锁解锁为止

  • 解除等待消息任务，进行上下文切换

  • 发送锁减1

3.4消息的接收

3.4.1任务中接收

xQueueReceive——实际接口为xQueueGenericReceive（多一个出队模式参数 xJustPeeking）

• pdFAlSE——出队后，删除已读队列项或消息空间

• pdTRUE——出队后不删除，然后恢复出队地址，让其他任务或中断继续读取

• 判断是否删除已读消息

  • 是则更新消息等待读取的记录值，让它减1

  • 否 将未读取之前的地址重新赋值给出队指针

3.4.2中断中接收

和中断中发送类似，主要是用到了发送锁和接收锁