14.FreeRTOS 消息缓存 Message Buffer

FreeRTOS 消息缓存（Message Buffer）的使用

介绍

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在实时操作系统（RTOS）中，任务之间的通信是一个非常重要的方面。FreeRTOS 提供了多种机制来实现任务间通信，其中之一就是消息缓存（Message Buffer）。消息缓存非常适合传递长度可变的消息，并且在性能和灵活性方面提供了很大的优势。

什么是消息缓存？

消息缓存是 FreeRTOS 提供的一种数据结构，用于在任务之间传递变长消息。与队列不同，队列适合固定长度的数据项，而消息缓存可以处理长度可变的消息。这使得消息缓存非常适用于需要传递不同长度消息的场景，比如传输字符串或结构化数据。

消息缓存的工作原理

消息缓存的基本操作包括创建、发送和接收消息。以下是其主要操作：

1. 创建消息缓存 ：使用 xMessageBufferCreate 函数创建一个新的消息缓存。
2. 发送消息到消息缓存 ：任务使用 xMessageBufferSend 将消息发送到缓存中。
3. 从消息缓存接收消息 ：任务使用 xMessageBufferReceive 从缓存中接收消息。

实例：使用 FreeRTOS 消息缓存进行任务通信

下面是一个使用消息缓存在两个任务之间传递消息的完整示例。在这个示例中，一个任务负责发送消息，另一个任务负责接收消息。

#include <Arduino.h>
#include <FreeRTOS.h>
#include <message_buffer.h>

// 消息缓存句柄
MessageBufferHandle_t xMessageBuffer;

// 发送任务
void vSenderTask(void *pvParameters) {
    const char *message = "Hello, FreeRTOS!";
    while (1) {
        // 发送消息
        size_t bytesSent = xMessageBufferSend(xMessageBuffer, message, strlen(message), pdMS_TO_TICKS(1000));
        if (bytesSent < strlen(message)) {
            Serial.println("Failed to send complete message");
        }
        // 每 2 秒发送一次
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(2000));
    }
}

// 接收任务
void vReceiverTask(void *pvParameters) {
    char buffer[50];
    while (1) {
        // 接收消息
        size_t bytesReceived = xMessageBufferReceive(xMessageBuffer, buffer, sizeof(buffer), portMAX_DELAY);
        if (bytesReceived > 0) {
            buffer[bytesReceived] = '\0'; // 确保字符串以 NULL 结尾
            Serial.print("Received: ");
            Serial.println(buffer);
        } else {
            Serial.println("Failed to receive message");
        }
    }
}

void setup() {
    // 初始化串口
    Serial.begin(115200);
    while (!Serial) {}

    // 创建消息缓存
    xMessageBuffer = xMessageBufferCreate(1024);
    if (xMessageBuffer == NULL) {
        Serial.println("Failed to create message buffer");
        while (1) {}
    }

    // 创建发送和接收任务
    xTaskCreate(vSenderTask, "Sender", 1024, NULL, 1, NULL);
    xTaskCreate(vReceiverTask, "Receiver", 1024, NULL, 1, NULL);

    // 启动调度器
    vTaskStartScheduler();
}

void loop() {
    // 主循环应为空，因为 FreeRTOS 任务在运行
}

API

1. 创建消息缓存

要创建一个消息缓存，使用 xMessageBufferCreate 函数：

MessageBufferHandle_t xMessageBufferCreate(size_t xBufferSizeBytes);

参数：

• xBufferSizeBytes：消息缓存的大小（字节数）。

返回值：

• 成功时返回消息缓存的句柄（非 NULL）；失败时返回 NULL。

示例：

MessageBufferHandle_t xMessageBuffer = xMessageBufferCreate(1024);
if (xMessageBuffer == NULL) {
    // 创建失败，处理错误
}

2. 发送消息到消息缓存

使用 xMessageBufferSend 将消息发送到缓存中：

size_t xMessageBufferSend(MessageBufferHandle_t xMessageBuffer, const void *pvTxData, size_t xDataLengthBytes, TickType_t xTicksToWait);

参数：

• xMessageBuffer：消息缓存的句柄。
• pvTxData：要发送的消息指针。
• xDataLengthBytes：发送的消息长度（字节数）。
• xTicksToWait：等待时间（滴答数）。

返回值：

• 成功发送的字节数。如果返回值小于 xDataLengthBytes，则表示在 xTicksToWait 时间内没有足够的空间发送所有消息。

示例：

const char *message = "Hello, FreeRTOS!";
size_t bytesSent = xMessageBufferSend(xMessageBuffer, message, strlen(message), portMAX_DELAY);
if (bytesSent < strlen(message)) {
    // 发送的数据不完整，处理错误
}

3. 从消息缓存接收消息

使用 xMessageBufferReceive 从缓存中接收消息：

size_t xMessageBufferReceive(MessageBufferHandle_t xMessageBuffer, void *pvRxData, size_t xBufferLengthBytes, TickType_t xTicksToWait);

参数：

• xMessageBuffer：消息缓存的句柄。
• pvRxData：接收消息的缓冲区指针。
• xBufferLengthBytes：接收缓冲区的大小（字节数）这设置了可以接收的消息的最大长度。
• xTicksToWait：等待时间（滴答数）。

返回值：

• 成功接收的字节数。如果返回值小于 xBufferLengthBytes，则表示在 xTicksToWait 时间内没有接收到足够的消息。

示例：

char buffer[50];
size_t bytesReceived = xMessageBufferReceive(xMessageBuffer, buffer, sizeof(buffer), portMAX_DELAY);
if (bytesReceived > 0) {
    buffer[bytesReceived] = '\0'; // 确保字符串以 NULL 结尾
    Serial.println(buffer);
} else {
    // 接收失败，处理错误
}

其他消息缓存 API

1. xMessageBufferCreateStatic

创建一个静态分配的消息缓存。

MessageBufferHandle_t xMessageBufferCreateStatic(size_t xBufferSizeBytes, uint8_t *pucMessageBufferStorageArea, StaticMessageBuffer_t *pxStaticMessageBuffer);

参数：

• xBufferSizeBytes：消息缓存的大小（字节数）。
• pucMessageBufferStorageArea：指向预先分配的缓存存储区。
• pxStaticMessageBuffer：指向预先分配的 StaticMessageBuffer_t 结构。

返回值：

• 成功时返回消息缓存的句柄（非 NULL）；失败时返回 NULL。

2. xMessageBufferReset

重置消息缓存，使其变为空。

BaseType_t xMessageBufferReset(MessageBufferHandle_t xMessageBuffer);

参数：

• xMessageBuffer：消息缓存的句柄。

返回值：

• 如果成功重置消息缓存，则返回 pdPASS；如果在消息缓存上有任务阻塞，则返回 pdFAIL。

示例：

if (xMessageBufferReset(xMessageBuffer) == pdPASS) {
    // 重置成功
} else {
    // 重置失败，处理错误
}

3. xMessageBufferSpacesAvailable

获取消息缓存中可用的空闲空间（字节数）。

size_t xMessageBufferSpacesAvailable(MessageBufferHandle_t xMessageBuffer);

参数：

• xMessageBuffer：消息缓存的句柄。

返回值：

• 消息缓存中当前可用的空闲空间，以字节为单位。

示例：

size_t spaceAvailable = xMessageBufferSpacesAvailable(xMessageBuffer);
Serial.print("Space available: ");
Serial.println(spaceAvailable);

4. xMessageBufferNextLengthBytes

获取消息缓存中下一个消息的长度（字节数）。

size_t xMessageBufferNextLengthBytes(MessageBufferHandle_t xMessageBuffer);

参数：

• xMessageBuffer：消息缓存的句柄。

返回值：

• 下一个消息的长度，以字节为单位。

示例：

size_t nextMessageLength = xMessageBufferNextLengthBytes(xMessageBuffer);
Serial.print("Next message length: ");
Serial.println(nextMessageLength);

5. vMessageBufferDelete

删除消息缓存，释放分配的内存。

void vMessageBufferDelete(MessageBufferHandle_t xMessageBuffer);

参数：

• xMessageBuffer：消息缓存的句柄。

返回值：

• 无返回值。

示例：

vMessageBufferDelete(xMessageBuffer);

总结

FreeRTOS 消息缓存通过在发送和接收消息时记录和读取消息长度，确保了消息的完整传递。这样的设计使得发送的数据和接收的数据大小相等，从而保证了任务间通信的一致性和可靠性。