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FreeRTOS学习 --- 消息队列

article 2025/2/3 18:56:01

队列简介

队列是任务到任务、任务到中断、中断到任务数据交流的一种机制（消息传递）

全局变量的弊端：数据无保护，导致数据不安全，当多个任务同时对该变量操作时，数据易受损

使用队列的情况如下：

读写队列做好了保护，防止多任务同时访问冲突；我们只需要直接调用API函数即可，简单易用！

FreeRTOS基于队列，实现了多种功能，其中包括队列集、互斥信号量、计数型信号量、

二值信号量、递归互斥信号量，因此很有必要深入了解 FreeRTOS 的队列。

在队列中可以存储数量有限、大小固定的数据。队列中的每一个数据叫做“队列项目”，队列能够存储“队列项目”的最大数量称为队列的长度。

在创建队列时，就要指定队列长度以及队列项目的大小！

FreeRTOS队列特点：

1、数据入队出队方式

队列通常采用“先进先出”(FIFO)的数据存储缓冲机制，即先入队的数据会先从队列中被读取，FreeRTOS中也可以配置为“后进先出”LIFO方式；

2、数据传递方式

FreeRTOS中队列采用实际值传递，即将数据拷贝到队列中进行传递， FreeRTOS采用拷贝数据传递，也可以传递指针，所以在传递较大的数据的时候采用指针传递

3、多任务访问

队列不属于某个任务，任何任务和中断都可以向队列发送/读取消息

4、出队、入队阻塞

当任务向一个队列发送消息时，可以指定一个阻塞时间，假设此时当队列已满无法入队

① 若阻塞时间为0 ：直接返回不会等待；

② 若阻塞时间为0~port_MAX_DELAY ：等待设定的阻塞时间，若在该时间内还无法入队，超时后直接返回不再等待；

③ 若阻塞时间为port_MAX_DELAY ：死等，一直等到可以入队为止。出队阻塞与入队阻塞类似；

入队阻塞：

队列满了，此时写不进去数据；

①将该任务的状态列表项挂载在pxDelayedTaskList；

②将该任务的事件列表项挂载在xTasksWaitingToSend；

出队阻塞：

队列为空，此时读取不了数据；

①将该任务的状态列表项挂载在pxDelayedTaskList；

②将该任务的事件列表项挂载在xTasksWaitingToReceive；

问题：当多个任务写入消息给一个“满队列”时，这些任务都会进入阻塞状态，也就是说有多个任务在等待同一个队列的空间。那当队列中有空间时，哪个任务会进入就绪态？

答：

1、优先级最高的任务

2、如果大家的优先级相同，那等待时间最久的任务会进入就绪态

队列结构体介绍

typedef struct QueueDefinition 
{
    int8_t * pcHead					/* 存储区域的起始地址 */
    int8_t * pcWriteTo;        				/* 下一个写入的位置 */
    union
    {
        QueuePointers_t     xQueue; 
	    SemaphoreData_t  xSemaphore; 
    } u ;
    List_t xTasksWaitingToSend; 			/* 等待发送列表 */
    List_t xTasksWaitingToReceive;			/* 等待接收列表 */
    volatile UBaseType_t uxMessagesWaiting; 	/* 非空闲队列项目的数量 */
    UBaseType_t uxLength；			/* 队列长度 */
    UBaseType_t uxItemSize;                 		/* 队列项目的大小 */
    volatile int8_t cRxLock; 				/* 读取上锁计数器 */
    volatile int8_t cTxLock；			/* 写入上锁计数器 */
   /* 其他的一些条件编译 */
} xQUEUE;

当我们锁住队列的时候，你是可以正常读写队列的，只不过操作不了等待发送\接收列表。

当用于队列使用时：

typedef struct QueuePointers
{
     int8_t * pcTail; 				/* 存储区的结束地址 */
     int8_t * pcReadFrom;			/* 最后一个读取队列的地址 */
} QueuePointers_t;

当用于互斥信号量和递归互斥信号量时：

typedef struct SemaphoreData
{
    TaskHandle_t xMutexHolder;		/* 互斥信号量持有者 */
    UBaseType_t uxRecursiveCallCount;	/* 递归互斥信号量的获取计数器 */
} SemaphoreData_t;

队列结构体整体示意图：

队列相关API函数介绍

使用队列的主要流程：创建队列 ---> 写队列 ---> 读队列。

创建队列相关API函数介绍：

函数	描述
xQueueCreate()	动态方式创建队列
xQueueCreateStatic()	静态方式创建队列

动态和静态创建队列之间的区别：队列所需的内存空间由 FreeRTOS 从 FreeRTOS 管理的堆中分配，而静态创建需要用户自行分配内存。

创建队列函数入口参数解析：

#define xQueueCreate (  uxQueueLength,   uxItemSize  )   			 \					
	   xQueueGenericCreate( ( uxQueueLength ), ( uxItemSize ), (queueQUEUE_TYPE_BASE ))

此函数用于使用动态方式创建队列，队列所需的内存空间由 FreeRTOS 从 FreeRTOS 管理的堆中分配

前面说 FreeRTOS 基于队列实现了多种功能，每一种功能对应一种队列类型，队列类型的 queue.h 文件中有定义：

#define queueQUEUE_TYPE_BASE                  	( ( uint8_t ) 0U )	/* 队列 */
#define queueQUEUE_TYPE_SET                  	( ( uint8_t ) 0U )	/* 队列集 */
#define queueQUEUE_TYPE_MUTEX                 	( ( uint8_t ) 1U )	/* 互斥信号量 */
#define queueQUEUE_TYPE_COUNTING_SEMAPHORE    	( ( uint8_t ) 2U )	/* 计数型信号量 */
#define queueQUEUE_TYPE_BINARY_SEMAPHORE     	( ( uint8_t ) 3U )	/* 二值信号量 */
#define queueQUEUE_TYPE_RECURSIVE_MUTEX       	( ( uint8_t ) 4U )	/* 递归互斥信号量 */

往队列写入消息API函数：

函数	描述
xQueueSend()	往队列的尾部写入消息
xQueueSendToBack()	同 xQueueSend()
xQueueSendToFront()	往队列的头部写入消息
xQueueOverwrite()	覆写队列消息（只用于队列长度为 1 的情况）
xQueueSendFromISR()	在中断中往队列的尾部写入消息
xQueueSendToBackFromISR()	同 xQueueSendFromISR()
xQueueSendToFrontFromISR()	在中断中往队列的头部写入消息
xQueueOverwriteFromISR()	在中断中覆写队列消息（只用于队列长度为 1 的情况）

队列写入消息:

#define  xQueueSend(  xQueue,   pvItemToQueue,   xTicksToWait  )	 					\    
	    xQueueGenericSend( ( xQueue ), ( pvItemToQueue ), ( xTicksToWait ), queueSEND_TO_BACK )

#define  xQueueSendToBack(  xQueue,   pvItemToQueue,   xTicksToWait  )					 \    
	    xQueueGenericSend( ( xQueue ), ( pvItemToQueue ), ( xTicksToWait ), queueSEND_TO_BACK )

#define  xQueueSendToFront(  xQueue,   pvItemToQueue,   xTicksToWait  ) 					\   
	    xQueueGenericSend( ( xQueue ), ( pvItemToQueue ), ( xTicksToWait ), queueSEND_TO_FRONT )

#define  xQueueOverwrite(  xQueue,   pvItemToQueue  ) 								\    
	    xQueueGenericSend( ( xQueue ), ( pvItemToQueue ), 0, queueOVERWRITE )

可以看到这几个写入函数调用的是同一个函数xQueueGenericSend( )，只是指定了不同的写入位置！

队列一共有 3 种写入位置：

#define queueSEND_TO_BACK         ( ( BaseType_t ) 0 )		/* 写入队列尾部 */
#define queueSEND_TO_FRONT        ( ( BaseType_t ) 1 )		/* 写入队列头部 */
#define queueOVERWRITE            ( ( BaseType_t ) 2 )		/* 覆写队列*/

注意：覆写方式写入队列，只有在队列的队列长度为 1 时，才能够使用

往队列写入消息函数入口参数解析：

BaseType_t  xQueueGenericSend(  QueueHandle_t 	    xQueue,
                                const void * const 	pvItemToQueue,
                                TickType_t 		    xTicksToWait,
                                const BaseType_t 	xCopyPosition   );

从队列读取消息API函数：

函数	描述
xQueueReceive()	从队列头部读取消息，并删除消息
xQueuePeek()	从队列头部读取消息
xQueueReceiveFromISR()	在中断中从队列头部读取消息，并删除消息
xQueuePeekFromISR()	在中断中从队列头部读取消息

从队列读取消息函数入口参数解析：

BaseType_t    xQueueReceive( QueueHandle_t   xQueue,  
                             void *          const pvBuffer,  
                             TickType_t      xTicksToWait )

此函数用于在任务中，从队列中读取消息，并且消息读取成功后，会将消息从队列中移除。

BaseType_t   xQueuePeek( QueueHandle_t   xQueue,   
                         void * const    pvBuffer,   
                         TickType_t      xTicksToWait )

此函数用于在任务中，从队列中读取消息，但与函数 xQueueReceive()不同，此函数在成功读取消息后，并不会移除已读取的消息！

队列相关API函数工作流程具体解析：

创建队列：xQueueCreate( )

实际执行的是xQueueGenericCreate( )

xQueueGenericCreate( ( uxQueueLength ), ( uxItemSize ), ( queueQUEUE_TYPE_BASE ) )

1、计算队列需要多大内存 xQueueSizeInBytes = ( size_t ) ( uxQueueLength * uxItemSize )

2、为队列申请内存，申请大小：sizeof( Queue_t ) + xQueueSizeInBytes ，前面部分存放结构体成员，后面就是队列项大小

3、判断内存是否申请成功，成功即计算出队列项存储区的首地址

4、调用prvInitialiseNewQueue（）初始化新队列pxNewQueue

(1)、初始化队列结构体成员变量

(2)、调用xQueueGenericReset（）复位队列

1)、初始化其他队列结构体成员变量

2)、判断要复位的队列是否为新创建的队列

不是新创建队列，那就复位它，将列表xTasksWaitingToSend移除，是新创建的队列，那就初始化这两个列表xTasksWaitingToSend和xTasksWaitingToReceive

往队列写入数据（入队）：xQueueSend( )

实际执行的是：xQueueGenericSend( ）

xQueueGenericSend( ( xQueue ), ( pvItemToQueue ), ( xTicksToWait ), queueSEND_TO_BACK )

1、进入临界区（关中断）

2、判断队列是否已满？

3、队列有空闲位置
(1)、只有在队列有空闲位置或为覆写的情况才能写入消息

(2)、当有空闲位置或覆写时：将待写入消息按指定写入方式复制到队列中

(3)、判断是否有因为读不到消息而阻塞的任务，有的话，将解除阻塞态，通过这个函数

判断调度器是否被挂起，没有挂起：将移除相应的事件列表项和状态列表项，并且将任务添加到就绪列表中。挂起：将移除事件列表项，将事件列表项添加到等待就绪列表：xPendingReadyList，当调用恢复调度器时xTaskResumeAll( )，xPendingReadyList中多任务就会被处理
(4)、退出临界区（开中断）

3、队列已满

(1)、此时不能写入消息，因此要将任务阻塞

(2)、如果阻塞时间为0 ，代表不阻塞，直接返回队列满错误

(3)、如果阻塞时间不为0，任务需要阻塞，记录下此时系统节拍计数器的值和溢出次数，用于下面对阻塞时间进行补偿（补偿就是计算剩余的阻塞时间还有多久）

(4)、判断阻塞时间补偿后，是否还需要阻塞

需要：将任务的事件列表项添加到等待发送列表中，将任务状态列表项添加到阻塞列表中进行阻塞，队列解锁，恢复调度器。不需要：队列解锁，恢复调度器，返回队列满错误。

不需要：队列解锁，恢复调度器，返回队列满错误