五、freeRTOS_队列的使用

目录

1. 队列的理论讲解

1.1 常规操作

 2. 队列的常规使用

3. 队列集

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1. 队列的理论讲解

1.1 常规操作

队列的简化操如入下图所示，从此图可知：
队列可以包含若干个数据：队列中有若干项，这被称为"长度"(length)
每个数据大小固定
创建队列时就要指定长度、数据大小
数据的操作采用先进先出的方法(FIFO，First In First Out)：写数据时放到尾部，读数据时从头部
读
也可以强制写队列头部：覆盖头部数据

本节源码：13_freertos_example_queue，基于12_freertos_example_sync_exclusion修改。

 猜测队列中应该有：

• 有等待数据的任务列表 list1
• 有等待写数据的任务列表 list2
• 指向内存的 *buf

 以下为xQueueCreate 队列源码：

• 有头部，有尾部，是一个环形buf。
• 有两个链表，等待发送数据，等待接收数据

创建环形队列的图解： 

 写队列

读队列

 

往头部写队列，xQueueSendToFront 这个函数写的数据，会最先被读出来，因为数据被插到了队列的头部。

假如已经在0、1位置已经写入了数据，之后再头部写入数据会在N-1③位置，在向后移动指针pcReadFrom，pcReadFrom -= ItemSize，因为pcReadFrom表示的是上一次的位置，所以向后移动之后再次读到的数据为N-1③位置。

有很多个写队列，或者有很多个读队列时，都有等待函数，那现在该唤醒谁呢？

一般会先执行优先级最高的那个，或者等待时间最长的那个，理所应当是这样的。

 2. 队列的常规使用

本节源码：13_freertos_example_queue，基于12_freertos_example_sync_exclusion修改。

队列使用了同步：

任务1、任务2使用队列实现了同步。

任务1计算完数值之后，写入队列中，任务2读取队列，当队列中有数据的时候就会打印出来，当队列中没有数据的时候就会进入到阻塞状态，任务2在等待数据的过程中，就不会参与cpu的调度。

static int sum = 0;
static volatile int flagCalcEnd = 0;
static QueueHandle_t xQueueCalcHandle;

void Task1Function(void * param)
{
	volatile int i = 0;
	while (1)
	{
		for (i = 0; i < 10000000; i++)
			sum++;
		//printf("1");
		//flagCalcEnd = 1;
		//vTaskDelete(NULL);
		xQueueSend(xQueueCalcHandle, &sum, portMAX_DELAY);
		sum = 1;
	}
}

void Task2Function(void * param)
{
	int val;
	
	while (1)
	{
		//if (flagCalcEnd)
		flagCalcEnd = 0;
		xQueueReceive(xQueueCalcHandle, &val, portMAX_DELAY);
		flagCalcEnd = 1;
		printf("sum = %d\r\n", val);
	}
}

/*-----------------------------------------------------------*/

int main( void )
{
	TaskHandle_t xHandleTask1;
		
#ifdef DEBUG
  debug();
#endif

	prvSetupHardware();

	printf("Hello, world!\r\n");

	xQueueCalcHandle = xQueueCreate(2, sizeof(int));
	if (xQueueCalcHandle == NULL)
	{
		printf("can not create queue\r\n");
	}

	InitUARTLock();

	xTaskCreate(Task1Function, "Task1", 100, NULL, 1, &xHandleTask1);
	xTaskCreate(Task2Function, "Task2", 100, NULL, 1, NULL);

	/* Start the scheduler. */
	vTaskStartScheduler();

	/* Will only get here if there was not enough heap space to create the
	idle task. */
	return 0;
}

运行结果，在 “四、freeRTOS_同步互斥与通信概述” 中，任务2与任务1竞争cpu的资源，导致任务1实现同步花了4s，现在使用队列同步的方法来做，任务2在等待数据的过程中，就不会参与cpu的调度，此时任务2大概花费了2s。

URAT1串口打印

队列使用了互斥：

 任务3、任务4使用队列实现了互斥。

临界资源是 TaskGenericFunction() 函数，使用初始化串口锁，上锁，下锁，来完成队列的互斥。

/*-----------------------------------------------------------*/

static int sum = 0;
static volatile int flagCalcEnd = 0;
static volatile int flagUARTused = 0;
static QueueHandle_t xQueueCalcHandle;
static QueueHandle_t xQueueUARTcHandle;


int InitUARTLock(void)
{	
	int val;
	xQueueUARTcHandle = xQueueCreate(1, sizeof(int));
	if (xQueueUARTcHandle == NULL)
	{
		printf("can not create queue\r\n");
		return -1;
	}
	xQueueSend(xQueueUARTcHandle, &val, portMAX_DELAY);
	return 0;
}

void GetUARTLock(void)
{	
	int val;
	xQueueReceive(xQueueUARTcHandle, &val, portMAX_DELAY);
}

void PutUARTLock(void)
{	
	int val;
	xQueueSend(xQueueUARTcHandle, &val, portMAX_DELAY);
}


void Task1Function(void * param)
{
	volatile int i = 0;
	while (1)
	{
		for (i = 0; i < 10000000; i++)
			sum++;
		//printf("1");
		//flagCalcEnd = 1;
		//vTaskDelete(NULL);
		xQueueSend(xQueueCalcHandle, &sum, portMAX_DELAY);
		sum = 1;
	}
}

void Task2Function(void * param)
{
	int val;
	
	while (1)
	{
		//if (flagCalcEnd)
		flagCalcEnd = 0;
		xQueueReceive(xQueueCalcHandle, &val, portMAX_DELAY);
		flagCalcEnd = 1;
		printf("sum = %d\r\n", val);
	}
}

void TaskGenericFunction(void * param)
{
	while (1)
	{
		GetUARTLock();
		printf("%s\r\n", (char *)param);
		   // task 3 is waiting
		PutUARTLock(); /* task 3 ==> ready, task 4 is running  */
		vTaskDelay(1);
	}
}


/*-----------------------------------------------------------*/

int main( void )
{
	TaskHandle_t xHandleTask1;
		
#ifdef DEBUG
  debug();
#endif

	prvSetupHardware();

	printf("Hello, world!\r\n");

	xQueueCalcHandle = xQueueCreate(2, sizeof(int));
	if (xQueueCalcHandle == NULL)
	{
		printf("can not create queue\r\n");
	}

	InitUARTLock();

	xTaskCreate(Task1Function, "Task1", 100, NULL, 1, &xHandleTask1);
	xTaskCreate(Task2Function, "Task2", 100, NULL, 1, NULL);

	xTaskCreate(TaskGenericFunction, "Task3", 100, "Task 3 is running", 1, NULL);
	xTaskCreate(TaskGenericFunction, "Task4", 100, "Task 4 is running", 1, NULL);

	/* Start the scheduler. */
	vTaskStartScheduler();

	/* Will only get here if there was not enough heap space to create the
	idle task. */
	return 0;
}

运行结果：

任务3、任务4在互斥的交替执行。

 传输大块数据：

FreeRTOS的队列使用拷贝传输，也就是要传输uint32_t时，把4字节的数据拷贝进队列；要传输一个8字节的结构体时，把8字节的数据拷贝进队列。
如果要传输1000字节的结构体呢？写队列时拷贝1000字节，读队列时再拷贝1000字节？不建议这么做，影响效率！
这时候，我们要传输的是这个巨大结构体的地址：把它的地址写入队列，对方从队列得到这个地址，使用地址去访问那1000字节的数据。
使用地址来间接传输数据时，这些数据放在RAM里，对于这块RAM，要保证这几点：

• RAM的所有者、操作者，必须清晰明了，这块内存，就被称为"共享内存"。要确保不能同时修改RAM。比如，在写队列之前只有由发送者修改这块RAM，在读队列之后只能由接收者访问这块RAM。
• RAM要保持可用，这块RAM应该是全局变量，或者是动态分配的内存。对于动然分配的内存，要确保它不能提前释放：要等到接收者用完后再释放。另外，不能是局部变量。

程序会创建一个队列，然后创建1个发送任务、1个接收任务：

• 创建的队列：长度为1，用来传输 "char *" 指针
• 发送任务优先级为1，在字符数组中写好数据后，把它的地址写入队列
• 接收任务优先级为2，读队列得到 "char *" 值，把它打印出来

这个程序故意设置接收任务的优先级更高，在它访问数组的过程中，接收任务无法执行、无法写这个数组。

结构体读写队列：

 字符串读写队列：

3. 队列集

本节源码：14_freertos_example_queue_set

从多个队列中得到数据，就使用队列集。

在实际工作中需要从多个队列中得到数据吗？是需要的。

如果你的鼠标既支持鼠标、键盘、触摸屏，任意一个队列有数据，都可以唤醒app去工作，这时候就需要用到队列集合。

让Task1、Task2往Queue1、Queue2中写数据，使用Task3，监测两个Queue。 

 main()函数

1. 创建2个queue
2. 创建queue set
3. 把两个queue添加进queue set
4. 创建3个任务

任务执行过程

1. task3先运行，此时没有数据，先阻塞在这里，
2. 然后task1、task2竞争cpu资源去运行，假设task1先运行，把 &i 先写入队列，在把对应的handle传到队列集（queue set）中，在从&i地址中读到数据，在打印出来，为0；
3. 接着task2运行，是基于task1高风亮节，使用了该函数vTaskDelay(10);才有task2得以运行，task2也把 &i 先写入队列，在把对应的handle传到队列集（queue set）中，在从&i地址中读到数据，在打印出来，为-1；
4. 此后打印的数据依次出来，为0 -1 1 -2 2 -3 3 ....运行结果如下图所示

static volatile int flagCalcEnd = 0;
static volatile int flagUARTused = 0;
static QueueHandle_t xQueueHandle1;
static QueueHandle_t xQueueHandle2;
static QueueSetHandle_t xQueueSet;

void Task1Function(void * param)
{
	int i = 0;
	while (1)
	{
		xQueueSend(xQueueHandle1, &i, portMAX_DELAY);
		i++;
		vTaskDelay(10);
	}
}

void Task2Function(void * param)
{
	int i = -1;
	while (1)
	{
		xQueueSend(xQueueHandle2, &i, portMAX_DELAY);
		i--;
		vTaskDelay(20);
	}
}

void Task3Function(void * param)
{
	QueueSetMemberHandle_t handle;
	int i;
	while (1)
	{
		/* 1. read queue set: which queue has data */
		handle = xQueueSelectFromSet(xQueueSet, portMAX_DELAY);

		/* 2. read queue */
		xQueueReceive(handle, &i, 0);

		/* 3. print */
		printf("get data : %d\r\n", i);
	}
}

/*-----------------------------------------------------------*/

int main( void )
{
	TaskHandle_t xHandleTask1;
		
#ifdef DEBUG
  debug();
#endif

	prvSetupHardware();

	printf("Hello, world!\r\n");

	/* 1. 创建2个queue */

	xQueueHandle1 = xQueueCreate(2, sizeof(int));
	if (xQueueHandle1 == NULL)
	{
		printf("can not create queue\r\n");
	}

	xQueueHandle2 = xQueueCreate(2, sizeof(int));
	if (xQueueHandle2 == NULL)
	{
		printf("can not create queue\r\n");
	}

	/* 2. 创建queue set */
	xQueueSet = xQueueCreateSet(3);

	/* 3. 把2个queue添加进queue set */
	xQueueAddToSet(xQueueHandle1, xQueueSet);
	xQueueAddToSet(xQueueHandle2, xQueueSet);

	/* 4. 创建3个任务 */
	xTaskCreate(Task1Function, "Task1", 100, NULL, 1, &xHandleTask1);
	xTaskCreate(Task2Function, "Task2", 100, NULL, 1, NULL);
	xTaskCreate(Task3Function, "Task3", 100, NULL, 1, NULL);

	/* Start the scheduler. */
	vTaskStartScheduler();

	/* Will only get here if there was not enough heap space to create the
	idle task. */
	return 0;
}

运行结果