单片机消息队列的实现原理和机制1

出处

单片机开发过程中通常会用到“消息队列”，一般实现的方法有多种。

本文给大家分享一下队列实现的原理和机制。

环形队列

环形队列是在实际编程极为有用的数据结构，它是一个首尾相连的FIFO的数据结构，采用数组的线性空间，数据组织简单，能很快知道队列是否满为空，能以很快速度的来存取数据。
环形队列通常用于通信领域，比如UART、USB、CAN、网络等。
1.环形队列实现原理内存上没有环形的结构，因此环形队列实上是数组的线性空间来实现。当数据到了尾部它将转回到0位置来处理。
因此环列队列的逻辑：将数组元素q[0]与q[MAXN-1]连接，形成一个存放队列的环形空间。
为了方便读写，还要用数组下标来指明队列的读写位置。head/tail.其中head指向可以读的位置，tail指向可以写的位置。

环形队列的关键是判断队列为空，还是为满。当tail追上head时，队列为满时；当head追上tail时，队列为空。但如何知道谁追上谁，还需要一些辅助的手段来判断. 如何判断环形队列为空，为满有两种判断方法：a.附加一个标志位tag

• 当head赶上tail，队列空，则令tag=0
• 当tail赶上head，队列满，则令tag=1

b.限制tail赶上head，即队尾结点与队首结点之间至少留有一个元素的空间。

• 队列空：   head==tail
• 队列满：   (tail+1)% MAXN ==head

2.附加标志实现原理
a.采用第一个环形队列有如下结构:

typedef struct ringq{
   int head; /* 头部，出队列方向*/
   int tail; /* 尾部，入队列方向*/ 
   int tag ;
   int size ; /* 队列总尺寸 */
   int space[RINGQ_MAX]; /* 队列空间 */
}RINGQ;

初始化状态： 

q->head = q->tail = q->tag = 0;

队列为空：

( q->head == q->tail) && (q->tag == 0)

队列为满 ：

((q->head == q->tail) && (q->tag == 1))

入队操作，如队列不满，则写入：

q->tail =  (q->tail + 1) % q->size ;

出队操作，如果队列不空，则从head处读出。下一个可读的位置在：

q->head =  (q->head + 1) % q->size

b.完整代码
头文件ringq.h:

#ifndef __RINGQ_H__
#define __RINGQ_H__

#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif 

#define QUEUE_MAX 20

typedef struct ringq{
   int head; /* 头部，出队列方向*/
   int tail; /* 尾部，入队列方向*/ 
   int tag ; /* 为空还是为满的标志位*/
    int size ; /* 队列总尺寸 */
   int space[QUEUE_MAX]; /* 队列空间 */
}RINGQ;

/* 
  第一种设计方法:
     当head == tail 时，tag = 0 为空，等于 = 1 为满。
*/

extern int ringq_init(RINGQ * p_queue);

extern int ringq_free(RINGQ * p_queue);


/* 加入数据到队列 */
extern int ringq_push(RINGQ * p_queue,int data);

/* 从队列取数据 */
extern int ringq_poll(RINGQ * p_queue,int *p_data);


#define ringq_is_empty(q) ( (q->head == q->tail) && (q->tag == 0))

#define ringq_is_full(q) ( (q->head == q->tail) && (q->tag == 1))

#define print_ringq(q) printf("ring head %d,tail %d,tag %d\n", q->head,q->tail,q->tag);
#ifdef __cplusplus
}
#endif 

#endif /* __RINGQ_H__ */

源代码 ringq.c

#include <stdio.h>
#include "ringq.h"

int ringq_init(RINGQ * p_queue)
{
   p_queue->size = QUEUE_MAX ;

   p_queue->head = 0;
   p_queue->tail = 0;

   p_queue->tag = 0;

   return 0;
}

int ringq_free(RINGQ * p_queue)
{
  return 0;
}


int ringq_push(RINGQ * p_queue,int data)
{
  print_ringq(p_queue);

  if(ringq_is_full(p_queue))
   {

     printf("ringq is full\n");
     return -1;
   }

   p_queue->space[p_queue->tail] = data;

   p_queue->tail = (p_queue->tail + 1) % p_queue->size ;

   /* 这个时候一定队列满了*/
   if(p_queue->tail == p_queue->head)
    {
       p_queue->tag = 1;
    }

    return p_queue->tag ;  
}

int ringq_poll(RINGQ * p_queue,int * p_data)
{
   print_ringq(p_queue);
  if(ringq_is_empty(p_queue))
   {

      printf("ringq is empty\n");
     return -1;
   }

   *p_data = p_queue->space[p_queue->head];

   p_queue->head = (p_queue->head + 1) % p_queue->size ;

    /* 这个时候一定队列空了*/
   if(p_queue->tail == p_queue->head)
    {
       p_queue->tag = 0;
    }    
    return p_queue->tag ;
}

看到源代码，相信大家就明白其中原理了。其实还有不采用tag，或者其他一些标志的方法，这里就不进一步展开讲述了，感兴趣的读者可以自行研究一下。