本文主要是介绍FreeRTOS学习笔记(六)队列,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!
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文章目录
- 前言
- 一、队列的基本内容
- 1.1 队列的引入
- 1.2 FreeRTOS 队列的功能与作用
- 1.3 队列的结构体
- 1.4 队列的使用流程
- 二、相关API详解
- 2.1 xQueueCreate
- 2.2 xQueueSend
- 2.3 xQueueReceive
- 2.4 xQueueSendFromISR
- 2.5 xQueueReceiveFromISR
- 2.6 uxQueueMessagesWaiting
- 2.7 uxQueueSpacesAvailable
- 2.8 vQueueDelete
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。
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
- 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)。
- 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。
- 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。
- 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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