浅析Free RTOS中Queue的应用

mftang2024-05-15 14:24

目录

概述

[1 认识Queue](#1 认识Queue)

[1.1 Queue定义](#1.1 Queue定义)

[1.2 FreeRTOS中的Queue](#1.2 FreeRTOS中的Queue)

[1.3 Queue状态](#1.3 Queue状态)

[1.4 Queue内容](#1.4 Queue内容)

[1.5 发送和接收Message](#1.5 发送和接收Message)

[1.5.1 发送message](#1.5.1 发送message)

[1.5.2 接收Message](#1.5.2 接收Message)

[2 Queue的特性](#2 Queue的特性)

[2.1 数据存储](#2.1 数据存储)

[2.2 可被多任务存取](#2.2 可被多任务存取)

[2.3 读Queue时阻塞](#2.3 读Queue时阻塞)

[2.4 写Queue时阻塞](#2.4 写Queue时阻塞)

[3 使用Queue](#3 使用Queue)

[3.1 xQueueCreate() 函数](#3.1 xQueueCreate() 函数)

[3.2 xQueueSendToBack() 与 xQueueSendToFront()函数](#3.2 xQueueSendToBack() 与 xQueueSendToFront()函数)

[3.3 xQueueReceive()与 xQueuePeek() 函数](#3.3 xQueueReceive()与 xQueuePeek() 函数)

[3.4 uxQueueMessagesWaiting() API 函数](#3.4 uxQueueMessagesWaiting() API 函数)

[4 一个案例](#4 一个案例)

[4.1 功能描述](#4.1 功能描述)

[4.2 定义Queue的变量](#4.2 定义Queue的变量)

[4.3 创建Queue](#4.3 创建Queue)

[4.4 应用Queue发送或者接收message](#4.4 应用Queue发送或者接收message)

[4.4.1 发送Message](#4.4.1 发送Message)

[4.4.2 接收Message](#4.4.2 接收Message)

[4.5 测试](#4.5 测试)

[5 结论](#5 结论)

源代码下载地址：

stm32-freeRTOS-queue资源-CSDN文库

概述

本文主要介绍Queue的相关知识，包括Queue的定义，发送和接收消息的方式等内容。重点使用Free RTOS中Queue的接口，实现数据在不同task之间的发送和接收的案例，并在板卡上验证该功能。

1 认识Queue

1.1 Queue定义

消息队列是一个类似于缓冲区的对象。通过它，任务和ISR发送和接收消息，实现到数据的同学和同步。消息队列小一个管道。它暂时保存来自发送者的消息，直到有意的接受者准备读这些消息。这个临时缓冲区把发送任务和接收任务隔开，即它必须同时释放发送和接收消息的任务。

创建一个队列，其应该具备这些要素：

1）分配一个相关的队列控制块(QCB)

  1. 一个消息队列名

3）一个唯一的ID

  1. 存储器缓冲区

5）队列长度

6）最大消息长度

7）一个或者多个任务等待列表

1.2 FreeRTOS中的Queue

FreeRTOS 的应用程序由一组独立的任务构成------每个任务都是具有独立权限的小程序。这些独立的任务之间很可能会通过相互通信以提供有用的系统功能。FreeRTOS 中所有的通信与同步机制都是基于队列实现的。

1.3 Queue状态

发送消息状态：

step -1: 当一个任务发送消息给一个消息队列，消息会直接发送给阻塞的任务

step -2: 阻塞任务进入就绪态或者运行态，此时消息队列为空，发送消息成功

step -3: 如果另外的消息送到相同的队列，而且没有任务在消息队列的任务等待列表中等候，此时消息队列的状态为非空

step -4: 当消息数据达到队列总数是，队列为满，此时队列无法接收任何消息。

1.4 Queue内容

消息队列可以用来接收和发送多种数据，有些消息的数据可能相当长，这种情况下，可使用发送数据指针的方式。

1.5 发送和接收Message

1.5.1 发送message

方式一： 先进先出FIFO次序Queue

方式一： 先进后出LIFO次序Queue

1.5.2 接收Message

方式一： 任务等待类表-先进先出FIFO次序Queue

方式二： 任务等待类表-先进后出LIFO次序Queue

2 Queue的特性

2.1 数据存储

队列可以保存有限个具有确定长度的数据单元。队列可以保存的最大单元数目被称为队列的"深度"。在队列创建时需要设定其深度和每个单元的大小。通常情况下，队列被作为 FIFO(先进先出)使用，即数据由队列尾写入，从队列首读出。当然，由队列首写入也是可能的。往队列写入数据是通过字节拷贝把数据复制存储到队列中；从队列读出数据使得把队列中的数据拷贝删除。

2.2 可被多任务存取

队列是具有自己独立权限的内核对象，并不属于或赋予任何任务。所有任务都可以向同一队列写入和读出。一个队列由多方写入是经常的事，但由多方读出倒是很少遇到。

2.3 读Queue时阻塞

当某个任务试图读一个队列时，其可以指定一个阻塞超时时间。在这段时间中，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。当其它任务或中断服务例程往其等待的队列中写入了数据，该任务将自动由阻塞态转移为就绪态。当等待的时间超过了指定的阻塞时间，即使队列中尚无有效数据，任务也会自动从阻塞态转移为就绪态。

由于队列可以被多个任务读取，所以对单个队列而言，也可能有多个任务处于阻塞状态以等待队列数据有效。这种情况下，一旦队列数据有效，只会有一个任务会被解除阻塞，这个任务就是所有等待任务中优先级最高的任务。而如果所有等待任务的优先级相同，那么被解除阻塞的任务将是等待最久的任务。

2.4 写Queue时阻塞

同读队列一样，任务也可以在写队列时指定一个阻塞超时时间。这个时间是当被写队列已满时，任务进入阻塞态以等待队列空间有效的最长时间。

由于队列可以被多个任务写入，所以对单个队列而言，也可能有多个任务处于阻塞状态以等待队列空间有效。这种情况下，一旦队列空间有效，只会有一个任务会被解除阻塞，这个任务就是所有等待任务中优先级最高的任务。而如果所有等待任务的优先级相同，那么被解除阻塞的任务将是等待最久的任务。

3 使用Queue

3.1 xQueueCreate() 函数

队列在使用前必须先被创建。队列由声明为 xQueueHandle 的变量进行引用。 xQueueCreate()用于创建一个队列，并返回一个 xQueueHandle 句柄以便于对其创建的队列进行引用。当创建队列时， FreeRTOS 从堆空间中分配内存空间。分配的空间用于存储队列数据结构本身以及队列中包含的数据单元。如果内存堆中没有足够的空间来创建队列，xQueueCreate()将返回 NULL。第五章会有关于内存堆管理的更多信息。

cpp 复制代码 
xQueueHandle xQueueCreate( unsigned portBASE_TYPE uxQueueLength,
unsigned portBASE_TYPE uxItemSize );
参数名称 描述
uxQueueLength 队列能够存储的最大单元数目，即队列深度
uxItemSize 队列中数据单元的长度，以字节为单位
返回值 描述
NULL 表示没有足够的堆空间分配给队列而导致创建失败
非 NULL 表示队列创建成功。此返回值应当保存下来，以作为 操作此队列的句柄

3.2 xQueueSendToBack() 与 xQueueSendToFront()函数

1） xQueueSendToBack()用于将数据发送到队列尾；

2） xQueueSendToFront()用于将数据发送到队列首。

3） xQueueSend()完全等同于 xQueueSendToBack()。

但 切 记 不 要 在 中 断 服 务 例 程 中 调 用 xQueueSendToFront() 或xQueueSendToBack()。

中断模式使用的发送消息函数：

1）xQueueSendToFrontFromISR()

2）xQueueSendToBackFromISR()

cpp 复制代码 
portBASE_TYPE xQueueSendToFront( xQueueHandle xQueue,
const void * pvItemToQueue,
portTickType xTicksToWait );
cpp 复制代码 
portBASE_TYPE xQueueSendToBack( xQueueHandle xQueue,
const void * pvItemToQueue,
portTickType xTicksToWait );
参数值 描述
xQueue 目标队列的句柄。这个句柄即是调用 xQueueCreate()创建该队 列时的返回值。
pvItemToQueue 发送数据的指针。其指向将要复制到目标队列中的数据单元。 由于在创建队列时设置了队列中数据单元的长度，所以会从该指 针指向的空间复制对应长度的数据到队列的存储区域。
xTicksToWait 阻塞超时时间。如果在发送时队列已满，这个时间即是任务处于 阻塞态等待队列空间有效的最长等待时间。如 果 xTicksToWait 设 为 0 ， 并 且 队 列 已 满 ， 则xQueueSendToFront()与 xQueueSendToBack()均会立即返回。阻塞时间是以系统心跳周期为单位的，所以绝对时间取决于系统心跳频率。常量 portTICK_RATE_MS 可以用来把心跳时间单位转换为毫秒时间单位。如 果 把 xTicksToWait 设 置 为 portMAX_DELAY ， 并 且 在FreeRTOSConig.h 中设定 INCLUDE_vTaskSuspend 为 1，那么阻塞等待将没有超时限制。

返回值介绍

返回值 描述
pdPASS 返回 pdPASS 只会有一种情况，那就是数据被成功发送到队列<中。如果设定了阻塞超时时间(xTicksToWait 非 0)，在函数返回之前任务将被转移到阻塞态以等待队列空间有效---在超时到来前能够将数据成功写入到队列，函数则会返回 pdPASS。
errQUEUE_FULL 如 果 由 于 队 列 已 满 而 无 法 将 数 据 写 入 ， 则 将 返 errQUEUE_FULL。如果设定了阻塞超时时间（ xTicksToWait 非 0），在函数返回之前任务将被转移到阻塞态以等待队列空间有效。但直到超时也没有其它任务或是中断服务例程读取队列而腾出空间，函数则会返回 errQUEUE_FULL。

3.3 xQueueReceive()与 xQueuePeek() 函数

xQueueReceive()： 用于从队列中接收(读取）数据单元。接收到的单元同时会从队列中删除xQueuePeek()：也是从从队列中接收数据单元，不同的是并不从队列中删出接收到的单元。 其从队列首接收到数据后，不会修改队列中的数据，也不会改变数据在队列中的存储序顺。

注意：

切记不要在中断服务例程中调用 xQueueRceive()和 xQueuePeek()。

**中断模式下使用的接收函数：**xQueueReceiveFromISR()

参数介绍

参数值 描述
xQueue 目标队列的句柄。这个句柄即是调用 xQueueCreate()创建该队 列时的返回值。
pvBuffer 接收缓存指针。其指向一段内存区域，用于接收从队列中拷贝来 的数据。数据单元的长度在创建队列时就已经被设定，所以该指针指向的 内存区域大小应当足够保存一个数据单元。
xTicksToWait 阻塞超时时间。如果在发送时队列已满，这个时间即是任务处于 阻塞态等待队列空间有效的最长等待时间。如 果 xTicksToWait 设 为 0 ， 并 且 队 列 已 满 ， 则xQueueSendToFront()与 xQueueSendToBack()均会立即返回。阻塞时间是以系统心跳周期为单位的，所以绝对时间取决于系统心跳频率。常量 portTICK_RATE_MS 可以用来把心跳时间单位转换为毫秒时间单位。如 果 把 xTicksToWait 设 置 为 portMAX_DELAY ， 并 且 在FreeRTOSConig.h 中设定 INCLUDE_vTaskSuspend 为 1，那么阻塞等待将没有超时限制。

返回值

返回值 描述
pdPASS 返回 pdPASS 只会有一种情况，那就是数据被成功发送到队列<中。如果设定了阻塞超时时间(xTicksToWait 非 0)，在函数返回之前任务将被转移到阻塞态以等待队列空间有效---在超时到来前能够将数据成功写入到队列，函数则会返回 pdPASS。
errQUEUE_FULL 如 果 由 于 队 列 已 满 而 无 法 将 数 据 写 入 ， 则 将 返 errQUEUE_FULL。如果设定了阻塞超时时间（ xTicksToWait 非 0），在函数返回之前任务将被转移到阻塞态以等待队列空间有效。但直到超时也没有其它任务或是中断服务例程读取队列而腾出空间，函数则会返回 errQUEUE_FULL。

3.4 uxQueueMessagesWaiting() API 函数

uxQueueMessagesWaiting()： 用于查询队列中当前有效数据单元个数。

注意： 不要在中断服务例程中调用 uxQueueMessagesWaiting()。

中断模式下使用的函数： uxQueueMessagesWaitingFromISR()。

cpp 复制代码 
unsigned portBASE_TYPE uxQueueMessagesWaiting( xQueueHandle xQueue );
参数值 描述
xQueue 被查询队列的句柄。这个句柄即是调用 xQueueCreate()创建该队列时 的返回值。

返回值：

返回值 描述
非0 当前队列中保存的数据单元个数
0 表明队列为空

4 一个案例

4.1 功能描述

使用STM32H7平台，基于Free RTOS平台，创建3个Task， 2个Task发送Message, 一个Task接收Message。

4.2 定义Queue的变量

代码第6行: 定义Queue的属性

代码第7行: 创建Queue ID 变量

代码第9~12行: 定义消息体数据结构

代码第14~17行: 消息体内容

详细代码：

cpp 复制代码 
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "main.h"
#include "cmsis_os.h"

const osMessageQueueAttr_t QueueInputSignalAttribute = {.name = "QueueTest"};
osMessageQueueId_t QueueTest;

typedef struct {
    int id;
    int32_t value;
}Qdata_stru;

Qdata_stru queList[2] = {
	 {1, 100},
	 {2, 50},
};

4.3 创建Queue

使用osMessageQueueNew创建一个Queue， osMessageQueueNew函数在cmsis_os2.c中定义。其函数原型为：

cpp 复制代码 
osMessageQueueId_t osMessageQueueNew (uint32_t msg_count, uint32_t msg_size, const osMessageQueueAttr_t *attr)

参数介绍：

参数名称 描述
msg_count 整个消息队列的长度
msg_size 消息的字节大小
attr 属性

创建方法如下：

详细代码：

cpp 复制代码 
void initTask( void )
{
	int ucQuequeLength= sizeof(Qdata_stru);
	
	QueueTest = osMessageQueueNew (10, ucQuequeLength, &QueueInputSignalAttribute);
}

注意：

创建Queue才能实现发送或者接收message

4.4 应用Queue发送或者接收message

4.4.1 发送Message

定义两个Task，在该Task中实现消息发送功能

代码第32行：发送message

代码第33行: 判断message 是否发送成功

代码第47行：发送message

代码第48行: 判断message 是否发送成功

详细代码：

cpp 复制代码 
 void mainTask(void *argument)
{  
  osStatus_t status;	
	
  for(;;)
  {
		 status = osMessageQueuePut(QueueTest, &queList[0], NULL,100);
		 if( status != osOK){
				printf("mainTask osStatus_t = %d \r\n",status);
		 }
         osDelay(300);
  }
}


void monitorTask(void *argument)
{
  osStatus_t status;	
	
  for(;;)
  {
		 status = osMessageQueuePut(QueueTest, &queList[1], NULL,100);
		 if( status != osOK){
				printf(" monitorTask osStatus_t = %d \r\n",status);
		 }
         osDelay(200);
  }
}

4.4.2 接收Message

定义一个Task，在该Task中仅仅实现接收其他Task发送的消息。

代码第62行： 接收queue消息

代码第64~69行： 根据 message ID解析消息

详细代码：

cpp 复制代码 
void stateTask(void *argument)
{
	Qdata_stru recv_que;
	static int cnt = 0;
	
  for(;;)
  {
		if( osOK == osMessageQueueGet(QueueTest, &recv_que, NULL, 100))
		{
			 if( recv_que.id == 1){
				 printf(" que 1: %d \r\n",recv_que.value);
			 }
			 else if( recv_que.id == 2) {
				 printf(" que 2: %d \r\n",recv_que.value);
			 }
		}
		
		cnt++;
		if( (cnt %10) == 0)
		{
			 HAL_GPIO_TogglePin(R_STATUS_GPIO_Port, R_STATUS_Pin);
		}
		
		osDelay(1);
  }
}

4.5 测试

编译代码，下载到板卡中，通过终端查看发送和接收消息的情况。打开串口终端，代码运行后，log信息如下：

5 结论

消息队列可以不同Task之间的通信，一个消息队列可接收多个Task发送的消息，对于数据长度大于消息队列数据长度的情况，可采用传送指针的方式实现。

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