第13章——FreeRTOS队列
1.队列简介
队列是任务到任务、任务到中断、中断到任务数据交流的一种机制（消息传递）
FreeRTOS基于队列， 实现了多种功能，其中包括队列集、互斥信号量、计数型信号量、二值信号量、 递归互斥信号量，因此很有必要深入了解 FreeRTOS 的队列 。
1.1.队列与全局变量的区别
- 全局变量的弊端：数据无保护，导致数据不安全，当多个任务同时对该变量操作时，数据易受损
- 队列的优点：读写队列做好了保护，防止多任务同时访问冲突，我们只需要直接调用API函数即可，简单易用
1.2.队列的特点
- 数据入队出队方式：队列通常采用**“先进先出”(FIFO)的数据存储缓冲机制，即先入队的数据会先从队列中被读取，FreeRTOS中也可以配置为“后进先出”LIFO**方式；
- 数据传递方式：FreeRTOS中队列采用实际值传递，即将数据拷贝到队列中进行传递， FreeRTOS采用拷贝数据传递，也可以传递指针，所以在传递较大的数据的时候采用指针传递
- 多任务访问：队列不属于某个任务，任何任务和中断都可以向队列发送/读取消息
- 出队、入队阻塞：当任务向一个队列发送消息时，可以指定一个阻塞时间，假设此时当队列已满无法入队
若阻塞时间为0 ：直接返回不会等待；
若阻塞时间为0~port_MAX_DELAY ：等待设定的阻塞时间，若在该时间内还无法入队，超时后直接返回不再等待；
若阻塞时间为port_MAX_DELAY ：死等，一直等到可以入队为止。出队阻塞与入队阻塞类似；
1.3.队列的属性
在队列中可以存储数量有限、大小固定的数据。队列中的每一个数据叫做“队列项目”，队列能够存储“队列项目”的最大数量称为队列的长度 。在创建队列时，就要指定队列长度以及队列项目的大小。
当多个任务写入消息给一个“满队列”时，这些任务都会进入阻塞状态，也就是说有多个任务 在等待同一 个队列的空间。当队列中有空间时，哪个任务会进入就绪态？
1、优先级最高的任务
2、如果大家的优先级相同，那等待时间最久的任务会进入就绪态
2.队列结构体介绍
typedef struct QueueDefinition
{
int8_t * pcHead /* 存储区域的起始地址 */
int8_t * pcWriteTo; /* 下一个写入的位置 */
union
{
QueuePointers_t xQueue;
SemaphoreData_t xSemaphore;
} u ;
List_t xTasksWaitingToSend; /* 等待发送列表 */
List_t xTasksWaitingToReceive; /* 等待接收列表 */
volatile UBaseType_t uxMessagesWaiting; /* 非空闲队列项目的数量 */
UBaseType_t uxLength； /* 队列长度 */
UBaseType_t uxItemSize; /* 队列项目的大小 */
volatile int8_t cRxLock; /* 读取上锁计数器 */
volatile int8_t cTxLock； /* 写入上锁计数器 */
/* 其他的一些条件编译 */
} xQUEUE;
//当用于队列使用时：
typedef struct QueuePointers
{
int8_t * pcTail; /* 存储区的结束地址 */
int8_t * pcReadFrom; /* 最后一个读取队列的地址 */
} QueuePointers_t;
//当用于互斥信号量和递归互斥信号量时 ：
typedef struct SemaphoreData
{
TaskHandle_t xMutexHolder; /* 互斥信号量持有者 */
UBaseType_t uxRecursiveCallCount; /* 递归互斥信号量的获取计数器 */
} SemaphoreData_t;
3.队列相关API函数介绍
使用队列的主要流程：创建队列——写队列——读队列。
3.1.创建队列
-
动态方式创建队列：xQueueCreate()【本文重点讲解】
-
静态方式创建队列：xQueueCreateStatic()
区别：队列所需的内存空间由 FreeRTOS 从 FreeRTOS 管理的堆中分配，而静态创建需要用户自行分配内存。
#define xQueueCreate(uxQueueLength, uxItemSize)
xQueueGenericCreate((uxQueueLength), (uxItemSize),(queueQUEUE_TYPE_BASE ))
#define queueQUEUE_TYPE_BASE ( ( uint8_t ) 0U ) /* 队列 */
#define queueQUEUE_TYPE_SET ( ( uint8_t ) 0U ) /* 队列集 */
#define queueQUEUE_TYPE_MUTEX ( ( uint8_t ) 1U ) /* 互斥信号量 */
#define queueQUEUE_TYPE_COUNTING_SEMAPHORE ( ( uint8_t ) 2U ) /* 计数型信号量 */
#define queueQUEUE_TYPE_BINARY_SEMAPHORE ( ( uint8_t ) 3U ) /* 二值信号量 */
#define queueQUEUE_TYPE_RECURSIVE_MUTEX ( ( uint8_t ) 4U ) /* 递归互斥信号量 */
- 形参uxQueueLength：队列长度
- 形参uxItemSize：队列项目的大小
- queueQUEUE_TYPE_BASE：宏定义，创建队列的类型，本文是队列
- 返回值：NULL ，队列创建失败；其他值， 队列创建成功，返回队列句柄【句柄也即是队列的首地址】
3.2.写队列
- xQueueSend() ：往队列的尾部写入消息
- xQueueSendToBack()： 同 xQueueSend()
- xQueueSendToFront()： 往队列的头部写入消息
- xQueueOverwrite()： 覆写队列消息（只用于队列长度为 1 的情况）
- xQueueSendFromISR()： 在中断中往队列的尾部写入消息
- xQueueSendToBackFromISR()： 同 xQueueSendFromISR()
- xQueueSendToFrontFromISR()： 在中断中往队列的头部写入消息
- xQueueOverwriteFromISR()： 在中断中覆写队列消息（只用于队列长度为 1 的情况）
头部写入与尾部写入的区别：头部写入从队列项1开始往后写（可循环），尾部写入从队列n开始写（可循环）
本文重点讲前四个，这几个写入函数调用的是同一个函数xQueueGenericSend( )，只是指定了不同的写入位置
#define queueSEND_TO_BACK ( ( BaseType_t ) 0 ) /* 写入队列尾部 */
#define queueSEND_TO_FRONT ( ( BaseType_t ) 1 ) /* 写入队列头部 */
#define queueOVERWRITE ( ( BaseType_t ) 2 ) /* 覆写队列*/
#define xQueueSend( xQueue, pvItemToQueue, xTicksToWait ) \
xQueueGenericSend( ( xQueue ), ( pvItemToQueue ), ( xTicksToWait ), queueSEND_TO_BACK )
#define xQueueSendToBack( xQueue, pvItemToQueue, xTicksToWait ) \
xQueueGenericSend( ( xQueue ), ( pvItemToQueue ), ( xTicksToWait ), queueSEND_TO_BACK )
#define xQueueSendToFront( xQueue, pvItemToQueue, xTicksToWait ) \
xQueueGenericSend( ( xQueue ), ( pvItemToQueue ), ( xTicksToWait ), queueSEND_TO_FRONT )
#define xQueueOverwrite( xQueue, pvItemToQueue ) \
xQueueGenericSend( ( xQueue ), ( pvItemToQueue ), 0, queueOVERWRITE )
BaseType_t xQueueGenericSend( QueueHandle_t xQueue,
const void * const pvItemToQueue,
TickType_t xTicksToWait,
const BaseType_t xCopyPosition);
- 参数xQueue：待写入的队列
- 参数pvItemToQueue：待写入消息
- 参数xTicksToWait：阻塞超时时间
- 参数xCopyPosition：写入的位置
- 返回值：pdTRUE，队列写入成功；errQUEUE_FULL ，队列写入失败
const void * const 表示一个不可修改的指针，它指向不可修改的 void 类型数据。void 指针通常用于表示未知类型的数据，而 const 修饰符确保无论是指针本身还是指向的数据都不会被修改。
无论是写入数字还是地址，都只需要把变量的地址传入即可，函数会自动赋值。
3.3.读队列
- xQueueReceive() ：从队列头部读取消息，并删除消息
- xQueuePeek()：从队列头部读取消息
- xQueueReceiveFromISR() ：在中断中从队列头部读取消息，并删除消息
- xQueuePeekFromISR() ：在中断中从队列头部读取消息
头部读取删除的底层原理：队列结构体成员uxMessagesWaiting的变化，删除则变化，不删除则不变化
BaseType_t xQueueReceive( QueueHandle_t xQueue, void * const pvBuffer, TickType_t xTicksToWait )
BaseType_t xQueuePeek( QueueHandle_t xQueue, void * const pvBuffer, TickType_t xTicksToWait )
- 形参xQueue：待读取的队列
- 形参pvBuffer：信息读取缓冲区
- 形参xTicksToWait：阻塞超时时间
- 返回值：pdTRUE，读取成功；pdFALSE，读取失败
void * const 表示一个指向不可修改的数据的指针，但它可以指向任何类型的数据。这种类型的指针通常用于需要保护指针不被意外修改，但允许修改指向的数据的情况。
无论是读出数字还是地址，都只需要把变量的地址传入即可，函数会自动赋值。
4.队列操作实验
- 实验目的：学习 FreeRTOS 的队列相关API函数的使用 ，实现队列的入队和出队操作。
- 实验设计：将设计四个任务：start_task、task1、task2、task3
start_task：用来创建task1和task2以及task3任务
task1：当按键key0或key1按下，将键值拷贝到队列key_queue（入队）；当按键key_up按下，将传输大数据，这里拷贝大数据的地址到队列big_date_queue中
task2：读取队列key_queue中的消息（出队），打印出接收到的键值
task3：从队列big_date_queue读取大数据地址，通过地址访问大数据
5.队列相关API函数解析
5.1.队列的创建API函数（动态创建）xQueueCreate
5.2.写队列（尾部写入）xQueueSend
5.3.读队列（读取并出队） xQueueReceive
