4.FreeRTOS学习笔记-消息队列
2024-05-13 21:31:01
消息队列
- 传输的数据不定长
- 支持先进先出FIFO,同时支持后进先出LIFO
- 均支持超时机制。
- 每个消息队列都与消息空间在同一段连续的内存空间中
- 消息队列的大小是消息队列控制块大小+（单个消息空间大小 * 消息队列长度）
- 任务或者中断服务程序都可以给消息队列发送消息
- 超时发送，超时发送失败返回 errQUEUE_FULL
- 发送紧急消息，就是放在队列头部
- 支持 消息读超时
同步互斥的方法对比
包含头文件
#include <queue.h>
- 消息队列运作模型
读消息的3中情况
- 有就取出，没有 扭头就走
- 没有等一会儿
- 死等消息
发送消息
队列满了就等会儿，超时了就返回errQUEUE_FULL
消息队列的内存结构
数据结构
typedef struct QueueDefinition
{int8_t *pcHead; /*< 指向队列消息存储区起始位置，即第一个消息空间 */int8_t *pcTail; /* 指向队列消息存储区结束位置地址 */int8_t *pcWriteTo; /*< 指向队列消息存储区下一个可用消息空间. */union /* 是一对互斥变量*/. */{int8_t *pcReadFrom; /*< Points to the last place that a queued item was read from when the structure is used as a queue. */UBaseType_t uxRecursiveCallCount;/*当结构体用于互斥量时，uxRecursiveCallCount 用于计数 */} u;List_t xTasksWaitingToSend; /*< 发送消息阻塞列表 */List_t xTasksWaitingToReceive; /*< 个获取消息阻塞列表 */volatile UBaseType_t uxMessagesWaiting;/*< 当前消息队列的消息个数 */UBaseType_t uxLength; /*< 队列的长度 */UBaseType_t uxItemSize; /*< 示单个消息的大小*/volatile int8_t cRxLock; /*< 队列上锁后，储存从队列收到的列表项数目，也就是出队的数量 如果队列没有上锁，设置为 queueUNLOCKED*/volatile int8_t cTxLock; /*< 队列上锁后，储存发送到队列的列表项数目，也就是入队的数量 如果队列没有上锁，设置为 queueUNLOCKED*/#if( ( configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION == 1 ) && ( configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION == 1 ) )uint8_t ucStaticallyAllocated; /*< Set to pdTRUE if the memory used by the queue was statically allocated to ensure no attempt is made to free the memory. */#endif#if ( configUSE_QUEUE_SETS == 1 )struct QueueDefinition *pxQueueSetContainer;#endif#if ( configUSE_TRACE_FACILITY == 1 )UBaseType_t uxQueueNumber;uint8_t ucQueueType;#endif} xQUEUE;
消息队列函数
1. 创建消息队列
//宏定义
#define xQueueCreate( uxQueueLength, uxItemSize ) xQueueGenericCreate( ( uxQueueLength ), ( uxItemSize ), ( queueQUEUE_TYPE_BASE ) )QueueHandle_t xQueueCreate( UBaseType_t uxQueueLength,// 队列能够存储的最大消息单元数目,能够存储的消息个数UBaseType_t uxItemSize );//队列中消息单元的大小，以字节为单位
返回NULL，创建失败，成功返回队列句柄
| 枚举值 | 说明 |
|---|---|
| queueQUEUE_TYPE_BASE | 表示队列 |
| queueQUEUE_TYPE_SET | 表示队列集合 。 |
| queueQUEUE_TYPE_MUTEX | 表示互斥量。 |
| queueQUEUE_TYPE_COUNTING_SEMAPHORE | 表示计数信号量。 |
| queueQUEUE_TYPE_BINARY_SEMAPHORE | 表示二进制信号量。 |
| queueQUEUE_TYPE_RECURSIVE_MUTEX | 表示递归互斥量。 |
2. 消息队列删除函数
void vQueueDelete( QueueHandle_t xQueue )
1. 发送消息函数
- 向队列尾部发送一个队列消息
- 消息以拷贝的形式入队，而不是以引用的形式
- 该xQueueCreate函数绝对不能在中断服务程序里面被调用,
- 中断中使用有中断保护功能的 xQueueSendFromISR()来代替
1.1 发送消息到–尾部
//
#define xQueueSend( xQueue, pvItemToQueue, xTicksToWait ) xQueueGenericSend( ( xQueue ), ( pvItemToQueue ), ( xTicksToWait ), queueSEND_TO_BACK )#define xQueueSendToBack( xQueue, pvItemToQueue, xTicksToWait ) xQueueGenericSend( ( xQueue ), ( pvItemToQueue ), ( xTicksToWait ), queueSEND_TO_BACK )BaseType_t xQueueSend(QueueHandle_t xQueue,const void * pvItemToQueue,TickType_t xTicksToWait);//返回：
| 参数 | 说明 |
|---|---|
| xQueue | 队列句柄 |
| pvItemToQueue | 指针，指向要发送到队列尾部的队列消息 |
| xTicksToWait | 队列满时，等待队列空闲的最大超时时间,超时时间的单位为系统节拍周期，portMAX_DELAY 一直等指导成功 |
| 返回值 | 发送消息成功返回 pdTRUE，否则返回 errQUEUE_FULL表示队列已满。 |
1.2 发送消息到–头部
//
#define xQueueSendToFront( xQueue, pvItemToQueue, xTicksToWait ) xQueueGenericSend( ( xQueue ), ( pvItemToQueue ), ( xTicksToWait ), queueSEND_TO_FRONT )BaseType_t xQueueSendToFront( QueueHandle_t xQueue,const void * pvItemToQueue,TickType_t xTicksToWait );
| 参数 | 说明 |
|---|---|
| xQueue | 队列句柄 |
| pvItemToQueue | 指针，指向要发送到队列尾部的队列消息 |
| xTicksToWait | 队列满时，等待队列空闲的最大超时时间,超时时间的单位为系统节拍周期，portMAX_DELAY 一直等指导成功 |
| 返回值 | 发送消息成功返回 pdTRUE，否则返回 errQUEUE_FULL表示队列已满。 |
1.3 通用版本
其他的非中断发送都是使用他的宏定义实现
BaseType_t xQueueGenericSend( QueueHandle_t xQueue, const void * const pvItemToQueue, TickType_t xTicksToWait, const BaseType_t xCopyPosition ) }| 参数 | 说明 |
|---|---|
| xQueue | 队列句柄 |
| pvItemToQueue | 指针，指向要发送到队列尾部的队列消息 |
| xTicksToWait | 队列满时，等待队列空闲的最大超时时间,超时时间的单位为系统节拍周期，portMAX_DELAY 一直等指导成功 |
| xCopyPosition | queueSEND_TO_BACK：发送到队尾；queueSEND_TO_FRONT：发送到队头；queueOVERWRITE：以覆盖的方式发送 |
| 返回值 | 发送消息成功返回 pdTRUE，否则返回 errQUEUE_FULL表示队列已满。 |
2. 中断保护版本的消息发送–中断版本
只能用于中断中执行，是不带阻塞机制的
2.1 发送消息到队列头
//
#define xQueueSendToFrontFromISR( xQueue, pvItemToQueue, pxHigherPriorityTaskWoken ) xQueueGenericSendFromISR( ( xQueue ), ( pvItemToQueue ), ( pxHigherPriorityTaskWoken ), queueSEND_TO_FRONT )BaseType_t xQueueSendToFrontFromISR(QueueHandle_t xQueue,const void *pvItemToQueue,BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken);
| 参数 | 说明 |
|---|---|
| xQueue | 队列句柄 |
| pvItemToQueue | 指针，指向要发送到队列尾部的队列消息 |
| pxHigherPriorityTaskWoken | 如果入队导致一个任务解锁，并且解锁的任务优先级高于当前被中断的任务，将*pxHigherPriorityTaskWoken设置成 pdTRUE，然后在中断退出前需要进行一次上下文切换， 去 执 行 被 唤醒 的 优 先 级 更高 的 任 务 。从FreeRTOS V7.3.0 起，pxHigherPriorityTaskWoken 作为一个可选参数，可以设置为 NULL。 |
| 返回值 | 发送消息成功返回 pdTRUE，否则返回 errQUEUE_FULL表示队列已满。 |
2.2 发送消息到队列尾–中断版本
#define xQueueSendToBackFromISR( xQueue, pvItemToQueue, pxHigherPriorityTaskWoken ) xQueueGenericSendFromISR( ( xQueue ), ( pvItemToQueue ), ( pxHigherPriorityTaskWoken ), queueSEND_TO_BACK )BaseType_t xQueueSendFromISR(QueueHandle_t xQueue,const void *pvItemToQueue,BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken);
| 参数 | 说明 |
|---|---|
| xQueue | 队列句柄 |
| pvItemToQueue | 指针，指向要发送到队列尾部的队列消息 |
| pxHigherPriorityTaskWoken | 如果入队导致一个任务解锁，并且解锁的任务优先级高于当前被中断的任务，将*pxHigherPriorityTaskWoken设置成 pdTRUE，然后在中断退出前需要进行一次上下文切换， 去 执 行 被 唤醒 的 优 先 级 更高 的 任 务 。从FreeRTOS V7.3.0 起，pxHigherPriorityTaskWoken 作为一个可选参数，可以设置为 NULL。 |
| 返回值 | 发送消息成功返回 pdTRUE，否则返回 errQUEUE_FULL表示队列已满。 |
2.3 中断发送的通用版本–中断版本
BaseType_t xQueueGenericSendFromISR(QueueHandle_t xQueue,const void *pvItemToQueue,BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken,BaseType_t xCopyPosition//{ queueSEND_TO_BACK：发送到队尾；queueSEND_TO_FRONT：发送到队头；queueOVERWRITE：以覆盖的方式发送 });
| 参数 | 说明 |
|---|---|
| xQueue | 队列句柄 |
| pvItemToQueue | 指针，指向要发送到队列尾部的队列消息 |
| pxHigherPriorityTaskWoken | 如果入队导致一个任务解锁，并且解锁的任务优先级高于当前被中断的任务，将*pxHigherPriorityTaskWoken设置成 pdTRUE，然后在中断退出前需要进行一次上下文切换， 去 执 行 被 唤醒 的 优 先 级 更高 的 任 务 。从FreeRTOS V7.3.0 起，pxHigherPriorityTaskWoken 作为一个可选参数，可以设置为 NULL。 |
| xCopyPosition | queueSEND_TO_BACK：发送到队尾；queueSEND_TO_FRONT：发送到队头；queueOVERWRITE：以覆盖的方式发送 |
| 返回值 | 发送消息成功返回 pdTRUE，否则返回 errQUEUE_FULL表示队列已满。 |
3. 消息读取函数-普通版本
这两个函数不能用于中断，是带有阻塞机制的
移除已经获取的消息
#define xQueueReceive( xQueue, pvBuffer, xTicksToWait ) xQueueGenericReceive( ( xQueue ), ( pvBuffer ), ( xTicksToWait ), pdFALSE )
获取消息但是不移除消息
#define xQueuePeek( xQueue, pvBuffer, xTicksToWait ) xQueueGenericReceive( ( xQueue ), ( pvBuffer ), ( xTicksToWait ), pdTRUE )
通用版本的实现
BaseType_t xQueueGenericReceive(QueueHandle_t xQueue,void *pvBuffer,TickType_t xTicksToWait,BaseType_t xJustPeek,);| 参数 | 说明 |
|---|---|
| xQueue | 队列句柄 |
| pvItemToQueue | 指针，指向接收到要保存的数据。 |
| xTicksToWait | 队列空时，阻塞超时的最大时间。如果该参数设置为 0，函数立刻返回。超时时间的单位为系统节拍周期，常量 portTICK_PERIOD_MS 用于辅助计算真实的时间，单位为 ms。如果 INCLUDE_vTaskSuspend 设置成 1，并且指定延时为 portMAX_DELAY 将导致任务无限阻塞（没有超时）。 |
| xJustPeek | 是否移除 pdFALSE 移除； pdTRUE 不移除 |
| 返回值 | 队列项接收成功返回 pdTRUE，否则返回 pdFALSE。 |
4. 消息读取函数-中断版本
4.1移除已经获取的消息
//移除已经获取的消息
BaseType_t xQueueReceiveFromISR( QueueHandle_t xQueue, //队列句柄。void * const pvBuffer, //指针，指向接收到要保存的数据。BaseType_t * const pxHigherPriorityTaskWoken )//
//返回值 队列项接收成功返回 pdTRUE，否则返回 pdFALSE。
| 参数 | 说明 |
|---|---|
| xQueue | 队列句柄 |
| pvItemToQueue | 指针，指向接收到要保存的数据。 |
| pxHigherPriorityTaskWoken | 任务在往队列投递信息时，如果队列满，则任务将阻塞在该队列上。如果 xQueueReceiveFromISR()到账了一个任 务 解 锁 了 则将 *pxHigherPriorityTaskWoken 设 置为pdTRUE ， 否 则 *pxHigherPriorityTaskWoken 的 值将不变。从 FreeRTOS V7.3.0 起，pxHigherPriorityTaskWoken作为一个可选参数，可以设置为 NULL。 |
| 返回值 | 队列项接收成功返回 pdTRUE，否则返回 pdFALSE。 |
4.2不会把消息从该队列中移除
BaseType_t xQueuePeekFromISR( QueueHandle_t xQueue, //队列句柄void * const pvBuffer )//指针，指向接收到要保存的数据。
消息队列使用注意事项
- 使用 xQueueSend()、xQueueSendFromISR()、xQueueReceive()等这些函数之前应先创建需消息队列，并根据队列句柄进行操作。
- 队列读取采用的是先进先出（FIFO）模式，会先读取先存储在队列中的数据。当然也 FreeRTOS 也支持后进先出（LIFO）模式，那读取的时候就会读取到后进队列的数据。
- 在获取队列中的消息时候，我们必须要定义一个存储读取数据的地方，并且该数据区域大小不小于消息大小，否则，很可能引发地址非法的错误。
- 无论是发送或者是接收消息都是以拷贝的方式进行，如果消息过于庞大，可以将消息的地址作为消息进行发送、接收
消息队列的内部机制
队列的 作用
- 解决互斥问题，
- 解决cpu空转的问题
队列的核心：关中断解决互斥问题，链表实现任务的休眠和唤醒，数组实现数据的保存
typedef struct QueueDefinition /* The old naming convention is used to prevent breaking kernel aware debuggers. */
{int8_t * pcHead; /*< 保存数据空间的指针*/int8_t * pcWriteTo; /*< Points to the free next place in the storage area. */union{QueuePointers_t xQueue; /*< 消息队列的队列头*/SemaphoreData_t xSemaphore; /*<用于信号量的信号量头 */} u;List_t xTasksWaitingToSend; /*是一个发送消息阻塞列表， 用于保存阻塞在此队列的任务， 任务按照优先级进行排序， 由于队列已满，想要发送消息的任务无法发送消息 */List_t xTasksWaitingToReceive; /*是一个获取消息阻塞列表， 用于保存阻塞在此队列的任务， 任务按照优先级进行排序， 由于队列是空的，想要获取消息的任务无法获取到消息。*/volatile UBaseType_t uxMessagesWaiting; /*< 当前队列中保存的数据元素的个数 */UBaseType_t uxLength; /*队列的长度*/UBaseType_t uxItemSize; /*< 单个消息的大小 *//*这两个成员变量为 queueUNLOCKED 时，表示队列未上锁；当这两个成员变量为queueLOCKED_UNMODIFIED 时，表示队列上锁*/volatile int8_t cRxLock; /*队列上锁后， 储存从队列收到的列表项数目， 也就是出队的数量，
如果队列没有上锁，设置为 queueUNLOCKED*/volatile int8_t cTxLock; /*队列上锁后， 储存从队列收到的列表项数目， 也就是出队的数量，
如果队列没有上锁，设置为 queueUNLOCKED */#if ( ( configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION == 1 ) && ( configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION == 1 ) )uint8_t ucStaticallyAllocated; /*< Set to pdTRUE if the memory used by the queue was statically allocated to ensure no attempt is made to free the memory. */#endif#if ( configUSE_QUEUE_SETS == 1 )struct QueueDefinition * pxQueueSetContainer;#endif#if ( configUSE_TRACE_FACILITY == 1 )UBaseType_t uxQueueNumber;uint8_t ucQueueType;#endif
} xQUEUE;
消息队列的初始化
- 分配内存，内存包括消息的队列头的空间和保存消息的空间，消息的空间 = 消息的个数 * 单个消息的大小
- 初始化QueueDefinition 成员
发送消息函数
接收数据函数
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