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


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sizeof
   
return: 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 task

params: 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 task

params: 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 ISR

params: 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 ISR

params: 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

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