【Freertos基础入门】队列(queue)的使用

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前言

本系列基于stm32系列单片机来使用freerots

FreeRTOS是一个广泛使用的开源实时操作系统（RTOS），它提供了丰富的功能和特性，使嵌入式系统的开发更加简单和高效。队列是FreeRTOS中常用的一种通信机制，它用于在任务之间传递数据。

一、队列是什么？

队列是一种先进先出（FIFO）的数据结构，允许任务将数据项放入队列的末尾，并从队列的前端取出数据项。队列提供了一种线程安全的方式来实现任务之间的数据传输，尤其适用于生产者-消费者模式的应用。

二、队列的操作

1. xQueueCreate(): 函数原型: QueueHandle_t xQueueCreate(UBaseType_t uxQueueLength, UBaseType_t uxItemSize); 作用: 创建一个队列并返回队列的句柄。 参数:

uxQueueLength: 队列中的最大项数，即队列的深度。 uxItemSize: 单个队列项的大小（以字节为单位）。

2. xQueueCreate(): 函数原型: BaseType_t xQueueSend(QueueHandle_t xQueue, const void *pvItemToQueue, TickType_t xTicksToWait); 作用: 将一个数据项发送到队列中。 参数:

xQueue: 队列的句柄。 pvItemToQueue: 要发送的数据项的指针。 xTicksToWait: 阻塞等待的时间，如果队列已满，将会等待指定的时间，直到队列有空间可用。

3. xQueueReceive(): 函数原型: BaseType_t xQueueReceive(QueueHandle_t xQueue, void *pvBuffer, TickType_t xTicksToWait); 作用: 从队列中接收一个数据项。 参数:

xQueue: 队列的句柄。 pvBuffer: 接收数据项的缓冲区指针。 xTicksToWait: 阻塞等待的时间，如果队列为空，将会等待指定的时间，直到队列中有数据可用。

4. uxQueueMessagesWaiting(): 函数原型: UBaseType_t uxQueueMessagesWaiting(const QueueHandle_t xQueue); 作用: 获取队列中当前等待处理的数据项数量。 参数:

xQueue: 队列的句柄。

5. vQueueDelete(): vQueueDelete(): 函数原型: void vQueueDelete(QueueHandle_t xQueue); 作用: 删除一个已创建的队列及其相关资源。 参数:

xQueue: 队列的句柄。

6.xQueueCreateStatic() 作用：静态分配queue内存 函数原型：QueueHandle_t xQueueCreateStatic( UBaseType_t uxQueueLength, UBaseType_t uxItemSize, uint8_t *pucQueueStorageBuffer, StaticQueue_t *pxQueueBuffer );

参数：uxQueueLength 队列长度，最多能存放多少个数据(item) uxItemSize 每个数据(item)的大小：以字节为单位 pucQueueStorageBuffer 如果uxItemSize非0，pucQueueStorageBuffer必须指向一个 uint8_t数组， 此数组大小至少为"uxQueueLength * uxItemSize" pxQueueBuffer 必须执行一个StaticQueue_t结构体，用来保存队列的数据结构 返回值 非0：成功，返回句柄，以后使用句柄来操作队列 NULL：失败，因为pxQueueBuffer为NULL

7.xQueueReset(); 作用：队列刚被创建时，里面没有数据；使用过程中可以调用 xQueueReset() 把队列恢复为初始状态 函数原型：BaseType_t xQueueReset( QueueHandle_t pxQueue);参数为要复位的队列。

8.xQueueSendToBack() 函数原型：BaseType_t xQueueSendToBack( QueueHandle_t xQueue, const void *pvItemToQueue, TickType_t xTicksToWait ); 作用：往队列尾部写入数据，如果没有空间，阻塞时间为xTicksToWait。 参数为要写的队列，数据，等待的时间

8.xQueueSendToBackFromISR() 函数原型：BaseType_t xQueueSendToBackFromISR( QueueHandle_t xQueue, const void *pvItemToQueue, BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken ); 作用：往队列尾部写入数据，此函数可以在中断函数中使用，不可阻塞

9.xQueueSendToFront() 作用：往队列头部写入数据，如果没有空间，阻塞时间为xTicksToWait 函数原型：BaseType_t xQueueSendToFront( QueueHandle_t xQueue, const void *pvItemToQueue, TickType_t xTicksToWait ); 10.xQueueSendToFrontFromISR() 作用：往队列头部写入数据，此函数可以在中断函数中使用，不可阻塞 函数原型：BaseType_t xQueueSendToFrontFromISR( QueueHandle_t xQueue, const void *pvItemToQueue, BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken );

11.xQueueReceiveFromISR() 作用：读函数，此函数可以在中断内使用，不可阻塞 函数原型：BaseType_t xQueueReceiveFromISR( QueueHandle_t xQueue, void *pvBuffer, BaseType_t *pxTaskWoken ); 参数为要读的队列，存储的位置，一个指向 BaseType_t 变量的指针，在正常情况下被置为 pdFALSE。它用于通知内核是否有任务的优先级因为该操作而发生了改变。

12.uxQueueSpacesAvailable() 作用： 返回队列中可用空间的个数 函数原型：UBaseType_t uxQueueSpacesAvailable( const QueueHandle_t xQueue ); 参数为要查询的队列

13.xQueueOverwrite()与xQueueOverwriteFromISR() 作用：当队列满时，这些函数会覆盖里面的数据，这也意为着这些函数不会被阻塞。 函数原型：

/* 覆盖队列
* xQueue: 写哪个队列
* pvItemToQueue: 数据地址
* 返回值: pdTRUE表示成功, pdFALSE表示失败
*/
BaseType_t xQueueOverwrite(
QueueHandle_t xQueue,
const void * pvItemToQueue
);
BaseType_t xQueueOverwriteFromISR(
QueueHandle_t xQueue,
const void * pvItemToQueue,
BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken
);

14.xQueuePeek()与xQueuePeekFromISR()函数 作用：偷看要取出队列的第二个元素 这些函数会从队列中复制出数据，但是不移除 数据。这也意味着，如果队列中没有数据，那么"偷看"时会导致阻塞；一旦队列中有数据以后每次"偷看"都会成功。 函数原型：

/* 偷看队列
* xQueue: 偷看哪个队列
* pvItemToQueue: 数据地址, 用来保存复制出来的数据
* xTicksToWait: 没有数据的话阻塞一会
* 返回值: pdTRUE表示成功, pdFALSE表示失败
*/
BaseType_t xQueuePeek(
QueueHandle_t xQueue,
void * const pvBuffer,
TickType_t xTicksToWait
);
BaseType_t xQueuePeekFromISR(
QueueHandle_t xQueue,
void *pvBuffer,
);

二、示例代码

下面是一个简单的示例代码，演示了如何使用FreeRTOS队列实现一个生产者任务和一个消费者任务之间的数据传输：

// 创建一个队列句柄
QueueHandle_t xQueue;

void vProducerTask(void *pvParameters) 
{
	int data = 0;
	while (1) {
	// 生产数据
	data = generateData();
	
	    // 发送数据到队列
	    if (xQueueSend(xQueue, &data, portMAX_DELAY) != pdPASS) 
	    {
	        // 处理发送失败的情况
	    }
	
	    // 延时，模拟生产速度
	    vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
	}
}

void vConsumerTask(void *pvParameters) 
{
	int receivedData;
	while (1) 
	{
		// 从队列接收数据
		if (xQueueReceive(xQueue, &receivedData, portMAX_DELAY) == pdPASS) {
		
		// 处理接收到的数据
		processData(receivedData);
		}
	}
}

int main() 
{
// 创建队列，队列长度为5，每个数据项的大小为sizeof(int)
xQueue = xQueueCreate(5, sizeof(int));

// 创建生产者任务
xTaskCreate(vProducerTask, "Producer", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, tskIDLE_PRIORITY + 1, NULL);

// 创建消费者任务
xTaskCreate(vConsumerTask, "Consumer", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, tskIDLE_PRIORITY + 1, NULL);

// 启动调度器
vTaskStartScheduler();

return 0;
}

总结

队列是FreeRTOS中一种有用的通信机制，可用于在任务之间传递数据。通过使用队列，我们可以实现任务之间的数据共享和同步。在使用队列时，需要注意队列的深度和每个数据项的大小，并选择适当的阻塞等待时间以避免资源争用和任务饥饿等问题。 在后面我们还将介绍到信号量，互斥锁，任务通知等任务的通信机制，他们都是为了解决任务的通信研究出来的技术和算法。