3、结合STM32CubeMX学习FreeRTOS实时操作系统——队列

前言

1、FreeRTOS队列核心概念与特性

2、队列的常用函数API

3、队列的创建和常见配置

4、在任务中使用队列

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前言

之前的文章已经介绍了《如何使用STM32CubeMX在项目中添加FreeRTOS操作系统》和《FreeRTOS任务的创建和使用》，本文开始介绍FreeRTOS中队列相关的知识。

1、FreeRTOS队列核心概念与特性

FreeRTOS队列（Queue）是任务间通信的基础组件，使用队列可以在一个任务中获取数据（例如传感器数据），在另一个或多个任务中处理数据，实现线程安全的数据传输，队列具有以下核心特性：

特性	说明
****先进先出(FIFO)	数据按发送顺序排列，最早入队的数据最先被读取
****线程安全	提供互斥保护，允许多任务并发访问无需额外同步
****阻塞机制	当队列空/满时，任务可选择等待数据/空间可用
ISR支持	通过FromISR后缀API支持中断服务程序操作
****多数据类型	支持传输值类型(struct/uint等)或指针类型(void*)
****可配置深度	创建时指定可存储的最大项目数量(1~65535)

2、队列的常用函数API

操作	API 函数	参数说明	返回值
****发送数据	xQueueSend()	尾部添加，阻塞等待空间	pdPASS/pdFAIL
****紧急发送	xQueueSendToFront()	头部插入（插队）	同上
****覆盖发送	xQueueOverwrite()	队列满时覆盖最旧数据	总是成功
****接收数据	xQueueReceive()	头部取出并移除数据	pdPASS/pdFAIL
****查看数据	xQueuePeek()	头部查看但不移除数据	同上

如果在中断程序中使用队列的话 ，需要使用特定的带尾缀FromISR的函数，可以保证在中断函数中安全的进行队列操作。如下所示：

cpp 复制代码

BaseType_t xQueueSendFromISR(QueueHandle_t xQueue,

                             const void *pvItemToQueue,

                             BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken);

其中，pxHigherPriorityTaskWoken是输出参数，若因发送唤醒了更高优先级任务则置为pdTRUE，当pxHigherPriorityTaskWoken = pdTRUE时，使用后必须调用portYIELD_FROM_ISR()函数触发上下文切换，否则出了中断程序后会出现任务调度异常。

3、队列的创建和常见配置

队列的配置原则如下表所示：

参数	优化建议
****深度(Length)	避免过深（浪费内存），过浅（频繁阻塞）
****项目大小(Item Size)	大于20字节时建议传递指针（启用configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION）
****阻塞时间	生产者和消费者使用不同的超时策略，根据实际应用场景设置

队列的选型指南如下表所示：

通信需求	推荐组件	特点比较
数据传输（带内容）	标准队列	支持任意数据结构
轻量级通知	队列（零字节项目）	比二进制信号量更节省内存
高频小数据	流缓冲（Stream Buffer）	无项目边界，更高吞吐
结构化流	消息缓冲（Message Buffer）	带长度标识，支持变长数据
广播通信	任务通知（Task Notificaiton）	点对点，零拷贝，最高效

由于队列常用在任务之间的通信，因此系统要配置两个任务来进行队列通信演示：

4、在任务中使用队列

本例程的两个任务中，一个任务负责记录数据，模拟传感器数据写入，另一个任务读出数据，模拟数据处理，通过Keil仿真中的变量内存查看窗口或者硬件LED灯闪烁状态可观察到代码实现的功能现象。

cpp 复制代码

/* 创建队列 */
osMessageQStaticDef(myQueue01, 16, uint16_t, myQueue01Buffer, &myQueue01ControlBlock);
myQueue01Handle = osMessageCreate(osMessageQ(myQueue01), NULL);


/* 创建任务2 */
osThreadStaticDef(myTask02, StartTask02, osPriorityBelowNormal, 0, 128, myTask02Buffer, &myTask02ControlBlock);
myTask02Handle = osThreadCreate(osThread(myTask02), NULL);


/* 创建任务3 */
osThreadStaticDef(myTask03, StartTask03, osPriorityNormal, 0, 128, myTask03Buffer, &myTask03ControlBlock);
myTask03Handle = osThreadCreate(osThread(myTask03), NULL);


/* 任务2的API接口，在里面实现具体功能 */
void StartTask02(void const * argument)
{
  /* USER CODE BEGIN StartTask02 */
    for( ; ; )
    {
        static uint32_t u32Rec = 0;    //创建队列接收缓存

        //队列接收数据，如果队列空，会进入阻塞状态等待队列中数据就绪，直到超时
        if( xQueueReceive(myQueue01Handle, &u32Rec, pdMS_TO_TICKS(50)) != pdTRUE ) 
        {
            //接收失败处理
        }
        else    //如果队列数据接收成功
        {
            if(u32Rec % 2 == 0)    //根据接收到的数据进行分类处理
                LED0_ON;
            else
                LED0_OFF;
        }
        osDelay(200);   //延时，任务进入阻塞态
  }
  /* USER CODE END StartTask02 */
}


/* 任务3的API接口，在里面实现具体功能 */
void StartTask03(void const * argument)
{
  /* USER CODE BEGIN StartTask03 */
    for( ; ; )
    {
        static uint32_t u32Numbers = 0;    //创建数据发送变量，模拟传感器数据

        //队列发送数据，如果队列满，会进入阻塞状态等队列中出现数据空位，如果等待超时，数据丢弃
        if( xQueueSend(myQueue01Handle, &u32Numbers, pdMS_TO_TICKS(100)) != pdTRUE)    
        {
            //发送数据失败处理
        }
        else
        {
            //数据发送成功处理
        }
        u32Numbers++;    //模拟传感器数据变化
        osDelay(50);     //延时，任务进入阻塞态
}
  /* USER CODE END StartTask03 */
}