基于 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。
本章目的
- 如何创建一个队列
- 队列如何管理其数据
- 如何向队列发送数据
- 如何从队列接收数据
- 队列阻塞是什么意思
- 往队列发送和从队列接收时，任务优先级会有什么样的影响
1.队列的特性
-
数据存储
队列可以保存有限个具有确定长度的数据单元。队列被作为 FIFO(先进先出)使用。
-
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。
-
读队列时阻塞
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。 -
写队列时阻塞
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。 -
队列读写过程
image
2.使用队列
xQueueCreate() API 函数
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。
xQueueHandle xQueueCreate( unsigned portBASE_TYPE uxQueueLength, //队列能够存储的最大单元数目，即队列深度。
unsigned portBASE_TYPE uxItemSize ); //队列中数据单元的长度，以字节为单位。
//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值表示队列创建成功。此返回值应当保存下来，以作为操作此队列的句柄。
xQueueSendToBack() 与 xQueueSendToFront() API 函数
xQueueSendToBack()用于将数据发送到队列尾；而 xQueueSendToFront()用于将数据发送到队列首。
portBASE_TYPE xQueueSendToFront( xQueueHandle xQueue, //目标队列的句柄
const void * pvItemToQueue, //发送数据的指针
portTickType xTicksToWait ); //阻塞超时时间,以系统心跳周期为单位
//有两个可能的返回值:
1. pdPASS, 数据被成功发送到队列
2. errQUEUE_FULL, 队列已满而无法将数据写入
portBASE_TYPE xQueueSendToBack( xQueueHandle xQueue, //目标队列的句柄
const void * pvItemToQueue, //发送数据的指针
portTickType xTicksToWait ); //阻塞超时时间,以系统心跳周期为单位
//有两个可能的返回值:
1. pdPASS, 数据被成功发送到队列
2. errQUEUE_FULL, 队列已满而无法将数据写入
xQueueReceive()与 xQueuePeek() API 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。
portBASE_TYPE xQueueReceive( xQueueHandle xQueue, //被读队列的句柄
const void * pvBuffer, //接收缓存指针
portTickType xTicksToWait );//阻塞超时时间。
portBASE_TYPE xQueuePeek( xQueueHandle xQueue, //被读队列的句柄
const void * pvBuffer, //接收缓存指针
portTickType xTicksToWait );//阻塞超时时间。
uxQueueMessagesWaiting() API 函数
uxQueueMessagesWaiting()用于查询队列中当前有效数据单元个数。
切记不要在中断服务例程中调用 uxQueueMessagesWaiting()。应当在中断服务中
使用其中断安全版本 uxQueueMessagesWaitingFromISR()。
unsigned portBASE_TYPE uxQueueMessagesWaiting( xQueueHandle xQueue ); //被查询队列的句柄。
//返回值 当前队列中保存的数据单元个数。返回 0 表明队列为空。
读队列时阻塞示例
本例示范创建一个队列，由多个任务往队列中写数据，以及从队列中把数据读出。
这个队列创建出来保存 long 型数据单元。往队列中写数据的任务没有设定阻塞超时时
间，而读队列的任务设定了超时时间。
往队列中写数据的任务的优先级低于读队列任务的优先级。这意味着队列中永远不
会保持超过一个的数据单元。因为一旦有数据被写入队列，读队列任务立即解除阻塞，
抢占写队列任务，并从队列中接收数据，同时数据从队列中删除—队列再一次变为空队列。
static void vSenderTask( void *pvParameters )
{
long lValueToSend;
portBASE_TYPE xStatus;
/* 该任务会被创建两个实例，所以写入队列的值通过任务入口参数传递 – 这种方式使得每个实例使用不同的
值。队列创建时指定其数据单元为long型，所以把入口参数强制转换为数据单元要求的类型 */
lValueToSend = ( long ) pvParameters;
/* 和大多数任务一样，本任务也处于一个死循环中 */
for( ;; )
{
/* 往队列发送数据
第一个参数是要写入的队列。队列在调度器启动之前就被创建了，所以先于此任务执行。
第二个参数是被发送数据的地址，本例中即变量lValueToSend的地址。
第三个参数是阻塞超时时间 – 当队列满时，任务转入阻塞状态以等待队列空间有效。本例中没有设定超
时时间，因为此队列决不会保持有超过一个数据单元的机会，所以也决不会满。
*/
xStatus = xQueueSendToBack( xQueue, &lValueToSend, 0 );
if( xStatus != pdPASS )
{
/* 发送操作由于队列满而无法完成 – 这必然存在错误，因为本例中的队列不可能满。*/
vPrintString( "Could not send to the queue.\r\n" );
}
/* 允许其它发送任务执行。 taskYIELD()通知调度器现在就切换到其它任务，而不必等到本任务的时间片耗尽 */
taskYIELD();
}
}
static void vReceiverTask( void *pvParameters )
{
/* 声明变量，用于保存从队列中接收到的数据。 */
long lReceivedValue;
portBASE_TYPE xStatus;
const portTickType xTicksToWait = 100 / portTICK_RATE_MS;
/* 本任务依然处于死循环中。 */
for( ;; )
{
/* 此调用会发现队列一直为空，因为本任务将立即删除刚写入队列的数据单元。 */
if( uxQueueMessagesWaiting( xQueue ) != 0 )
{
vPrintString( "Queue should have been empty!\r\n" );
}
/* 从队列中接收数据
第一个参数是被读取的队列。队列在调度器启动之前就被创建了，所以先于此任务执行。
第二个参数是保存接收到的数据的缓冲区地址，本例中即变量lReceivedValue的地址。此变量类型与
队列数据单元类型相同，所以有足够的大小来存储接收到的数据。
第三个参数是阻塞超时时间 – 当队列空时，任务转入阻塞状态以等待队列数据有效。本例中常量
portTICK_RATE_MS用来将100毫秒绝对时间转换为以系统心跳为单位的时间值。
*/
xStatus = xQueueReceive( xQueue, &lReceivedValue, xTicksToWait );
if( xStatus == pdPASS )
{
/* 成功读出数据，打印出来。 */
vPrintStringAndNumber( "Received = ", lReceivedValue );
}
else
{
/* 等待100ms也没有收到任何数据。
必然存在错误，因为发送任务在不停地往队列中写入数据 */
vPrintString( "Could not receive from the queue.\r\n" );
}
}
}
/* 声明一个类型为 xQueueHandle 的变量. 其用于保存队列句柄，以便三个任务都可以引用此队列 */
xQueueHandle xQueue;
int main( void )
{
/* 创建的队列用于保存最多5个值，每个数据单元都有足够的空间来存储一个long型变量 */
xQueue = xQueueCreate( 5, sizeof( long ) );
if( xQueue != NULL )
{
/* 创建两个写队列任务实例，任务入口参数用于传递发送到队列的值。所以一个实例不停地往队列发送
100，而另一个任务实例不停地往队列发送200。两个任务的优先级都设为1。 */
xTaskCreate( vSenderTask, "Sender1", 1000, ( void * ) 100, 1, NULL );
xTaskCreate( vSenderTask, "Sender2", 1000, ( void * ) 200, 1, NULL );
/* 创建一个读队列任务实例。其优先级设为2，高于写任务优先级 */
xTaskCreate( vReceiverTask, "Receiver", 1000, NULL, 2, NULL );
/* 启动调度器，任务开始执行 */
vTaskStartScheduler();
}
else
{
/* 队列创建失败*/
}
/* 如果一切正常， main()函数不应该会执行到这里。但如果执行到这里，很可能是内存堆空间不足导致空闲
任务无法创建。第五章有讲述更多关于内存管理方面的信息 */
for( ;; );
}
写入队列时阻塞示例
只是写队列任务与读队列任务的优先级交换了，即读队列任
务的优先级低于写队列任务的优先级。并且本例中的队列用于在任务间传递结构体数
据，而非简单的长整型数据。
写队列任务具有最高优先级，所以队列正常情况下一直
是处于满状态。这是因为一旦读队列任务从队列中读走一个数据单元，某个写队列任务
就会立即抢占读队列任务，把刚刚读走的位置重新写入，之后便又转入阻塞态以等待队
列空间有效。
/* 定义队列传递的结构类型。 */
typedef struct
{
unsigned char ucValue;
unsigned char ucSource;
} xData;
/* 声明两个xData类型的变量，通过队列进行传递。 */
static const xData xStructsToSend[ 2 ] =
{
{ 100, mainSENDER_1 }, /* Used by Sender1. */
{ 200, mainSENDER_2 } /* Used by Sender2. */
};
static void vSenderTask( void *pvParameters )
{
portBASE_TYPE xStatus;
const portTickType xTicksToWait = 100 / portTICK_RATE_MS;
/* As per most tasks, this task is implemented within an infinite loop. */
for( ;; )
{
/* Send to the queue.
第二个参数是将要发送的数据结构地址。这个地址是从任务入口参数中传入，所以直接使用pvParameters.
第三个参数是阻塞超时时间 – 当队列满时，任务转入阻塞态等待队列空间有效的最长时间。指定超时时
间是因为写队列任务的优先级高于读任务的优先级。所以队列如预期一样很快写满，写队列任务就会转入
阻塞态，此时读队列任务才会得以执行，才能从队列中把数据读走。 */
xStatus = xQueueSendToBack( xQueue, pvParameters, xTicksToWait );
if( xStatus != pdPASS )
{
/* 写队列任务无法将数据写入队列，直至100毫秒超时。
这必然存在错误，因为只要写队列任务进入阻塞态，读队列任务就会得到执行，从而读走数据，腾
出空间 */
vPrintString( "Could not send to the queue.\r\n" );
}
/* 让其他写队列任务得到执行。 */
taskYIELD();
}
}
static void vReceiverTask( void *pvParameters )
{
/* 声明结构体变量以保存从队列中读出的数据单元 */
xData xReceivedStructure;
portBASE_TYPE xStatus;
/* This task is also defined within an infinite loop. */
for( ;; )
{
/* 读队列任务的优先级最低，所以其只可能在写队列任务阻塞时得到执行。而写队列任务只会在队列写
满时才会进入阻塞态，所以读队列任务执行时队列肯定已满。所以队列中数据单元的个数应当等于队列的
深度 – 本例中队列深度为3 */
if( uxQueueMessagesWaiting( xQueue ) != 3 )
{
vPrintString( "Queue should have been full!\r\n" );
}
/* Receive from the queue.
第二个参数是存放接收数据的缓存空间。本例简单地采用一个具有足够空间大小的变量的地址。
第三个参数是阻塞超时时间 – 本例不需要指定超时时间，因为读队列任会只会在队列满时才会得到执行，
故而不会因队列空而阻塞 */
xStatus = xQueueReceive( xQueue, &xReceivedStructure, 0 );
if( xStatus == pdPASS )
{
/* 数据成功读出，打印输出数值及数据来源。 */
if( xReceivedStructure.ucSource == mainSENDER_1 )
{
vPrintStringAndNumber( "From Sender 1 = ", xReceivedStructure.ucValue );
}
else
{
vPrintStringAndNumber( "From Sender 2 = ", xReceivedStructure.ucValue );
}
}
else
{
/* 没有读到任何数据。这一定是发生了错误，因为此任务只支在队列满时才会得到执行 */
vPrintString( "Could not receive from the queue.\r\n" );
}
}
}
int main( void )
{
/* 创建队列用于保存最多3个xData类型的数据单元。 */
xQueue = xQueueCreate( 3, sizeof( xData ) );
if( xQueue != NULL )
{
/* 为写队列任务创建2个实例。 The
任务入口参数用于传递发送到队列中的数据。因此其中一个任务往队列中一直写入
xStructsToSend[0]，而另一个则往队列中一直写入xStructsToSend[1]。这两个任务的优先级都
设为2，高于读队列任务的优先级 */
xTaskCreate( vSenderTask, "Sender1", 1000, &( xStructsToSend[ 0 ] ), 2, NULL );
xTaskCreate( vSenderTask, "Sender2", 1000, &( xStructsToSend[ 1 ] ), 2, NULL );
/* 创建读队列任务。
读队列任务优先级设为1，低于写队列任务的优先级。 */
xTaskCreate( vReceiverTask, "Receiver", 1000, NULL, 1, NULL );
/* 启动调度器，创建的任务得到执行。 */
vTaskStartScheduler();
}
else
{
/* 创建队列失败。 */
}
/* 如果一切正常， main()函数不应该会执行到这里。但如果执行到这里，很可能是内存堆空间不足导致空闲
任务无法创建。第五章将提供更多关于内存管理方面的信息 */
for( ;; );
}
当使用队列通过指针传递大量数据时，需注意
-
指针指向的内存空间的所有权必须明确
当任务间通过指针共享内存时，应该从根本上保证所不会有任意两个任务同时
修改共享内存中的数据，或是以其它行为方式使得共享内存数据无效或产生一致性
问题。 -
指针指向的内存空间必须有效
如果指针指向的内存空间是动态分配的，只应该有一个任务负责对其进行内存
释放。当这段内存空间被释放之后，就不应该有任何一个任务再访问这段空间。