【FreeRTOS】详细讲解FreeRTOS中消息队列并通过示例讲述其用法

黑心萝卜三条杠2023-09-01 11:45

    • @TOC

      使用消息队列的原因

      在裸机系统中，两个程序间需要共享某个资源通常使用全局变量来实现；但在含操作系统(下文就拿FreeRTOS举例)的开发中，则使用消息队列完成。那么这两者有啥区别呢？🤔🤔🤔   其实在FreeRTOS系统中也能够像裸机似的，使用全局变量实现多程序共享某个资源（这里资源就可称为临界资源），则多个程序都能随时访问同一个临界资源，这时若两个程序同时访问同一个临界资源来完成两次资源读写操作，假如两个程序读取操作是同时完成，但是写入操作有先后之别，那么最后实际完成的操作就会是一个。例如下图：

      看完上图后，大家可能会想：两者结果相同，无所谓了。但是呢，如果此时再来个C程序恰好读取到的值为456，那么是不是跟最终结果789存在偏差呢！！！😅😅😅

      因此，在FreeRTOS系统中，引入了消息队列来实现某个资源共享，其不仅仅实现临界资源共享，也给临界资源提供保护，使得程序更加稳定。

      消息队列

      消息队列，是一种用于任务与任务间、中断和任务间传递一条或多条信息的数据结构 ，实现了任务接收 来自其他任务 或中断 的不固定或固定长度的消息 。   任务从队列里面读取消息时，如果队列中消息为空 ，读取消息的任务将被阻塞 ；否则任务就读取消息并且处理。用户还可以指定阻塞任务时间 xTicksToWait() ，在指定阻塞时间内，如果队列为空，该任务将保持阻塞状态以等待队列数据有效 。   有多个消息发送到消息队列时，通常将先进入队列的消息 先传给任务，也就是说，任务一般读取到的消息是最先进入消息队列的消息，即先进先出原则（FIFO），但也支持后进先出原则（LIFO）。   FreeRTOS 中使用队列数据结构实现任务异步通信工作，其具有如下特性：

      • 消息支持先进先出 的方式排队，支持异步读写的工作方式；
      • 读写队列均支持超时机制；
      • 消息支持后进先出方式排队，即直接往队首发送消息（LIFO）；
      • 允许不同长度（不超过队列节点最大值）的任意类型消息；
      • 一个任务 能够与任意一个消息队列接收和发送消息的操作；
      • 多个任务 能够与同一个消息队列接收和发送消息的操作；
      • 当队列使用结束 后，可以通过删除队列函数进行删除函数；

      消息队列收发双方处理机制

      • 创建消息队列，FreeRTOS系统会分配一块单个消息大小与消息队列长度乘积 的空间；(创建成功后，每个消息的大小及消息队列长度无法更改，不能写入大于单个消息大小的数据 ，并且只有删除消息队列时，才能释放队列占用的内存。)

      • 写入消息队列，当消息队列未满或允许覆盖入队 时，FreeRTOS系统会直接将消息复制到队列末端；否则，程序会根据指定的阻塞时间进入阻塞状态 ，直到消息队列未满或者是阻塞时间超时，程序就会进入就绪状态； 写入紧急消息，本质上与普通消息差不多，不同的是其将消息直接复制到消息队列队首；

      • 读取消息队列，在指定阻塞时间内，未读取到 消息队列中的数据 （消息队列为空），程序进入阻塞状态 ，等待消息队列中有数据；一旦阻塞时间超时 ，程序进入就绪态；

      • 一旦消息队列不再使用时，应该将其删除；（此时会永久删除）

      （图有点丑，大家伙将就一下吧🤣🤣🤣）

      函数解析

      消息队列通用创建 函数原型

      c 复制代码 
      QueueHandle_t xQueueGenericCreate( 
								   const UBaseType_t uxQueueLength,
                                   const UBaseType_t uxItemSize,
                                   const uint8_t ucQueueType 
                                 );

      参数解析

      • const UBaseType_t uxQueueLength：设置消息队列长度；
      • const UBaseType_t uxItemSize：设置消息队列中单个消息大小；
      • const uint8_t ucQueueType：设置消息队列的类型；

      函数说明   一个通用的消息队列创建函数，该函数自己给其他函数提供API，自己也调用函数prvInitialiseNewQueue()完成消息队列创建功能。

      消息队列动态创建 函数原型

      c 复制代码 
      QueueHandle_t xQueueCreate(
                            UBaseType_t uxQueueLength,
                            UBaseType_t uxItemSize
                         );

      参数解析

      • UBaseType_t uxQueueLength：设置消息队列长度；
      • UBaseType_t uxItemSize：设置消息队列中单个消息的大小；

      函数说明   创建函数，实际上使用还是调用函数 xQueueGenericCreate()完成消息队列创建工作。   当消息队列创建成功时，返回一个消息队列的控制句柄，用于访问创建的队列；否则，返回NULL，可能原因是创建队列需要的 RAM 无法分配成功。

      消息队列静态创建 函数原型

      c 复制代码 
      QueueHandle_t xQueueCreateStatic(
 	                             UBaseType_t uxQueueLength,
    	                         UBaseType_t uxItemSize,
        	                     uint8_t *pucQueueStorage,
            	                 StaticQueue_t *pxQueueBuffer
                		        );

      参数解析

      • UBaseType_t uxQueueLength：设置消息队列长度；
      • UBaseType_t uxItemSize：设置消息队列中单个消息大小；
      • uint8_t *pucQueueStorage：传递消息队列中单个消息的存储结构；
      • StaticQueue_t *pxQueueBuffer：传递自定义的消息队列；

      函数说明

      xQueueCreateStatic()用于创建一个新的队列并返回可用于访问这个队列的队列句柄，队列句柄其实就是一个指向队列数据结构类型的指针。   当返回值为NULL时，创建失败，失败原因与动态创建类似，即可能是创建队列需要的 RAM 无法分配成功。

      消息队列删除 函数原型

      c 复制代码 
      void vQueueDelete( QueueHandle_t xQueue );

      参数解析

      • QueueHandle_t xQueue:消息队列的控制句柄；

      函数说明   使用函数vQueueDelete()可以将一个消息队列中的所有信息都清空回收，并且该队列将无法继续使用。值得注意的是，一个没有创建的消息队列，是无法删除的。

      发送消息到消息队列 函数原型

      c 复制代码 
      BaseType_t xQueueSend(
                       QueueHandle_t xQueue,
                       const void * pvItemToQueue,
                       TickType_t xTicksToWait
                     );

      参数解析

      • QueueHandle_t xQueue：传入消息队列的控制句柄；
      • const void * pvItemToQueue：传入需要发送到消息队列中的数据；
      • TickType_t xTicksToWait：设置阻塞超时时间，设置成0,可直接返回;

      函数说明   发送函数实际上调用PAI函数xQueueGenericSend()；该函数也等同于函数xQueueSendToBack()。   发送消息函数xQueueSend()，其处理机制为：当消息队列未满或允许覆盖入队 时，FreeRTOS系统会直接将消息复制到队列末端；否则，程序会根据指定的阻塞时间进入阻塞状态，直到消息队列未满或者是阻塞时间超时，程序就会进入就绪状态。

      中断中发送消息到消息队列 函数原型

      c 复制代码 
       BaseType_t xQueueSendFromISR(
                               QueueHandle_t xQueue,
                               const void *pvItemToQueue,
                               BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken
                             );

      参数解析

      • QueueHandle_t xQueue：传递消息队列的控制权柄；
      • const void *pvItemToQueue：传递需要发送的消息；
      • BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken：若消息入队列时产生一个更高优先级的任务，那么改参数就会被设置成pdTRUE，系统在中断函数结束前会切换任务，去执行更高优先级的任务。在FReeRTOS V7.3.0起，该函数为一个可选参数。

      函数说明   该函数实际上调用FreeRTOS系统APIxQueueGenericSendFromISR()来完成在中断中发送消息。该函数功能上与xQueueSendToBackFromISR()相同，并且两者参数完全一致。

      发送消息到消息队列队首 函数原型

      c 复制代码 
      BaseType_t xQueueSendToToFront(
                                 QueueHandle_t    xQueue,
                                 const void       *pvItemToQueue,
                                 TickType_t       xTicksToWait
                              );

      参数解析

      • QueueHandle_t xQueue：消息队列的控制句柄；
      • const void *pvItemToQueue：需要发送的消息；
      • TickType_t xTicksToWait：函数阻塞超时时间；

      函数说明   该函数实际上还是调用函数xQueueGenericSend()来完成其功能的。   xQueueSendToToFront()向队列队首发送一个消息；发送消息成功返回pdTRUE，否则返回 errQUEUE_FULL。

      中断中发送消息到消息队列队首 函数原型

      c 复制代码 
       BaseType_t xQueueSendToFrontFromISR(
                                       QueueHandle_t xQueue,
                                       const void *pvItemToQueue,
                                       BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken
                                    );

      参数解析

      • QueueHandle_t xQueue：消息队列的控制句柄；
      • const void *pvItemToQueue：需要发送的消息；
      • BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken：与xQueueSendFromISR中的该参数类似，都是与队列插入数据时产生的更高优先级任务有关；

      函数说明

      消息队列接收函数 函数原型

      c 复制代码 
      BaseType_t xQueueReceive( 
						  QueueHandle_t xQueue,
                          void * const pvBuffer,
                          TickType_t xTicksToWait
                        );

      参数解析

      • QueueHandle_t xQueue：消息队列的控制权柄；
      • void * const pvBuffer：指向存储消息队列数据的存储空间；
      • TickType_t xTicksToWait：消息队列接收函数的最大阻塞时间。若该函数设置为0，则函数立刻返回；

      函数说明   一旦消息队列接收成功后会返回pdTRUE;否则,返回pdFALSE。接收消息队列后会删除该消息，倘若不想删除该信息，可使用函数xQueuePeek()。

      在中断中接收消息队列中消息 函数原型

      c 复制代码 
      BaseType_t xQueueReceiveFromISR( 
							QueueHandle_t xQueue,
                            void * const pvBuffer,
                            BaseType_t * const pxHigherPriorityTaskWoken
                                );

      参数解析

      • QueueHandle_t xQueue：消息队列的控制权柄；
      • void * const pvBuffer：需要发送的消息
      • BaseType_t * const pxHigherPriorityTaskWoken：任务在往队列发送信息时，如果队列满，则任务将阻塞在该队列上，若xQueueReceiveFromISR()函数碰都一个任务，则*pxHigherPriorityTaskWoken=pdTRUE；否则，其值为NULL。

      函数说明   函数xQueueReceiveFromISR()是函数xQueueReceive的中断版本，功能上一样，即接收函数后，也会将该消息删除，若不想删除可使用函数 xQueuePeekFromISR。同样，函数 xQueuePeekFromISR()是函数xQueuePeek()的中断版，功能上也是一样的。

      示例

      示例1   先创建两个任务，再通过消息队列实现任务间一对一通信 ，来完成任务2控制任务1实现依次反转LED1-LED8的状态。此时消息队列传递的是一个整型数据。

      c 复制代码 
      //任务控制权柄
TaskHandle_t xHandleTsak[4];
//消息队列控制权柄
QueueHandle_t xMyQueueHandle;

int main(void)
{
	//存储创建任务的返回值
	BaseType_t xReturn[5] ;
	
	xMyQueueHandle = xQueueCreate(20,sizeof(uint16_t));
	
	if(xMyQueueHandle == 0)
		//点亮LED7
		changeLedStateByLocation(LED7,ON);
	
	//动态创建任务1
	xReturn[0] = xTaskCreate(
				(TaskFunction_t )queueMesageTask1,
				(const char *)"queueMesageTask1",(uint16_t)512,
				(void*)NULL,2,&xHandleTsak[0]
				);
	
	//动态创建任务2
	xReturn[1] = xTaskCreate(
				(TaskFunction_t )queueMesageTask2,
				(const char *)"queueMesageTask2",
				(uint16_t)512,(void*)NULL,1,
				&xHandleTsak[1]
				);		
	//创建成功 
	if (pdPASS == xReturn[0] == xReturn[1])
		//启动任务，开启调度 
		vTaskStartScheduler(); 
	//创建失败
	else
		//点亮LED6
		changeLedStateByLocation(LED6,ON);
}

/********************************************
* 函数功能：消息队列测试函数1
* 函数参数：无
* 函数返回值：无
********************************************/
void queueMesageTask1(void)
{
	// 定义一个接收消息的变量
	uint16_t r_queue;
	while(1)
	{
		 if( pdTRUE == xQueueReceive( xMyQueueHandle,&r_queue,portMAX_DELAY) )
			rollbackLedByLocation(r_queue);
	}
}

/********************************************
* 函数功能：消息队列测试函数2
* 函数参数：无
* 函数返回值：无
********************************************/
void queueMesageTask2(void)
{
	uint16_t data[] = {LED1,LED2,LED3,LED4,LED5,LED6,LED7,LED8};
	//保存需要发送的数据
	static uint16_t i = 0;
	//保存系统时间
	static portTickType myPreviousWakeTime;
	//保存阻塞时间
	const volatile TickType_t xDelay1500ms = pdMS_TO_TICKS( 1500UL );
	//获取当前时间
	myPreviousWakeTime = xTaskGetTickCount();
	while(1)
	{
		xQueueSend( xMyQueueHandle,&data[i],0 );
		if(++i == 8) i = 0;
		
		//非阻塞延时1.5s
		xTaskDelayUntil( &myPreviousWakeTime,xDelay1500ms );
	}
}

      示例2   使用xTaskCreate()函数创建三个任务，其中有两个发送消息任务，一个接收消息任务，以完成一个多对一消息队列 的实验。   在创建任务时，为了使得代码更加舒服，采用带参数创建FreeRTOS任务 的方法，即先将函数需要用到的参数使用结构体保存，然后再通过xTaskCreate()函数的第四个参数传递给相应任务。   相对于示例1，示例2对任务间传递的消息也进行了优化，使其传递的数据由一个整型变量改成一个结构体 ；改变后，即有利于消息数据的扩展，同时，也方便多个多种类型消息同时传递。

      c 复制代码 
      // 消息队列传输的数据类型
struct messageQueue{
	int id;
	char msg[100];
};

//创建任务时传递参数结构体
struct taskParameters{
	// 任务ID
	int id;
	// 绝对延时延时时间
	uint16_t delayTime;
	// LED灯位置
	uint16_t LEDLOCATION;
	// LCD显示行
	u8 lcdLine;
	// 整型参数，用于变量倍增
	int number;
};

void queueMesageTask1(void);
void queueMesageTask2(struct taskParameters* params);

//任务控制权柄
TaskHandle_t xHandleTsak[4];
//消息队列控制权柄
QueueHandle_t xMyQueueHandle;
// 任务参数 
struct taskParameters param[2] = {{0,1500,LED1,Line6,1},{1,1000,LED2,Line7,2}};
//任务名字
char*taskName[] = {"task1","task2"};

/*****************************************
* 函数功能：freertos工作函数
* 函数参数：无
* 函数返回值：无
*****************************************/
void freertosWork(void)
{
//创建两个任务 用于测试消息队列
	unsigned  int i = 0;
	
	//存储创建任务的返回值
	BaseType_t xReturn[5] ;
	
	// 创建消息队列
	xMyQueueHandle = xQueueCreate(20,sizeof(struct messageQueue));
	if(xMyQueueHandle == 0)
		//点亮LED7
		changeLedStateByLocation(LED7,ON);
	
	//动态创建任务
	for(i=0;i<2;i++)
		xReturn[i] = xTaskCreate((TaskFunction_t )queueMesageTask2,
					(const char *)taskName[i],(uint16_t)128,
					(struct taskParameters*) &param[i],1,&xHandleTsak[i]
					);
	
	//动态创建任务1
	xReturn[3] = xTaskCreate(
					(TaskFunction_t )queueMesageTask1,
					(const char *)"queueMesageTask3",
					(uint16_t)128,(void*)NULL,1,&xHandleTsak[3]
				);		
				
	LCD_DisplayStringLine(Line0,(uint8_t*)"receve:");
	LCD_DisplayStringLine(Line5,(uint8_t*)"send:");
	
	if (pdPASS == xReturn[0] == xReturn[1] == xReturn[2])
		//点亮LED6
		changeLedStateByLocation(LED6,ON);				
	else
		vTaskStartScheduler();
}

/********************************************
* 函数功能：消息队列测试函数1
* 函数参数：无
* 函数返回值：无
********************************************/
void queueMesageTask1(void)
{	
	// 定义一个接收消息的变量
	struct messageQueue r_queue;
	char temp[100];
	int j1=1;
	while(1)
	{
		//接收数据  如果数据接收成功就处理 否则就点亮LED4
		if( pdTRUE == xQueueReceive( xMyQueueHandle,&r_queue,portMAX_DELAY) )
		{
			sprintf(temp,"(%s;%s;%d;)",pcTaskGetName(xHandleTsak[r_queue.id]),r_queue.msg,r_queue.id);
			
			//任务2发送的数据
			if(r_queue.id == 0)
				LCD_DisplayStringLine(Line1,(uint8_t*)temp);
			//任务3发送的数据
			else
				LCD_DisplayStringLine(Line2,(uint8_t*)temp);
			//每次接收数据后闪烁一次LED3
			changeAllLedByStateNumber(OFF);
			changeLedStateByLocation(LED3,j1++%2);
		}
		//数据接收失败 点亮LED4
		else
		{
			changeAllLedByStateNumber(OFF);
			changeLedStateByLocation(LED4,ON);
		}
	}
}

/********************************************
* 函数功能：消息队列测试函数2
* 函数参数：无
* 函数返回值：无
********************************************/
void queueMesageTask2(struct taskParameters* params)
{
	//初始化以及保存需要发送的数据
	struct messageQueue _sData;
	struct messageQueue*sData = &_sData;
	sData->id = params->id;
	//显示需要发送的数据
	char temp[50];
	uint16_t count = 0;
	//保存系统时间
	portTickType myPreviousWakeTime;
	//保存阻塞时间
	TickType_t xDelayms = pdMS_TO_TICKS( params->delayTime );
	//获取当前时间
	myPreviousWakeTime = xTaskGetTickCount();
	while(1)
	{
		// 改变本次发送的数据
		sprintf(sData->msg,"%s%d","Sender2:",count+=params->number);
		sprintf(temp,"(%s;%d)",sData->msg,sData->id);
		LCD_DisplayStringLine(params->lcdLine,(uint8_t*)temp);
		
		//关闭所有LED灯 避免LCD带来的影响
		changeAllLedByStateNumber(0);
		//发送数据 如果发送成功就点亮一次LED1
		if( xQueueSend( xMyQueueHandle,&_sData,0 ) == pdTRUE)
			changeLedStateByLocation(params->LEDLOCATION,ON);
		
		//非阻塞延时(ms)
		xTaskDelayUntil( &myPreviousWakeTime,xDelayms );
	}
}

      遇到的问题

      keil报错展示

      报错分析   该报错是由于结构体初始化时引起的，keil中不支持不完整定义的变量；但是可以看看小编目前使用的变量struct taskParameters param[2] = {{0,1500,LED1,Line6,1},{1,1000,LED2,Line7,2}};其一样可以啊！😢🤔因此到底什么原因小编暂时也不得而知了。

      小编的解决方案   不知道小编这样子到底算不算解决了该问题🤣🤣🤣：   首先，小编整理了代码，将一些不必要的变量全部都删除，并且优化了代码架构，最后这个程序莫名其妙就可以使用了，没有丝毫报错与警告。🤔😅😅😅

      还有个问题是关于变量struct taskParameters param[2] = {{0,1500,LED1,Line6,1},{1,1000,LED2,Line7,2}};的，该变量最高定义为全局变量，否则程序就会跑飞；如果实在要将其定义为局部变量也行，但是需要换一种结构体初始化的方式。

      小编这里也有其他的一些相关文章，欢迎各位点击观看😉😉😉

      最后 ，欢迎大家留言或私信交流，共同进步！😁😁😁

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