[FreeRTOS]消息队列（Queue）-北京尧图网络

目录什么是消息队列消息队列的特点消息队列的工作原理一、队列创建时内存分配逻辑二、消息入队普通消息 / 紧急消息三、消息出队读取消息四、任务调度消息队列中的常用函数一、osMessageQueueNew()--消息队列创建函数整体逻辑总览参数解释uint32_t msg_countuint32_t msg_sizeconst osMessageQueueAttr_t *attr定义变量QueueHandle_t hQueue;int32_t mem;初始化句柄hQueue NULL;判断创建条件静态内存判断重点)静态创建动态创建队列注册Queue Registry机制返回值二、osMessageQueuePut()--向消息队列发送消息函数参数解释句柄转换定义状态变量yield变量忽略消息优先级默认状态初始化为执行成功判断当前是不是中断中断环境部分ISR发送流程消息入队成功普通任务上下文非中断分支三、osMessageQueueGet()--从消息队列读取消息函数本章结束什么是消息队列队列又称消息队列是一种常用于任务间通信的数据结构队列可以在任务与任务间、中断和任务间传递信息实现了任务接收来自其他任务或中断的不固定长度的消息任务能够从队列里面读取消息简单来说消息队列是一个可以存储有限数量、固定大小数据的缓冲区。它遵循先进先出FIFO的原则。任务可以将数据发送写入到队列中其他任务可以从队列中接收读取数据。消息队列的特点异步通信任务不需要同时运行。发送任务可以在数据准备好时将其放入队列接收任务可以在任何时候从队列中取出数据。数据拷贝默认情况下发送到队列中的数据是按值拷贝的。这意味着当数据被发送时它会从发送任务的内存空间拷贝到队列的内存空间。当数据被接收时它会从队列的内存空间拷贝到接收任务的内存空间。这种机制避免了指针传递可能带来的数据完整性问题比如发送方在接收方读取前修改了数据。阻塞机制发送时阻塞如果队列已满发送任务可以选择阻塞等待直到队列中有空间可用。接收时阻塞如果队列为空接收任务可以选择阻塞等待直到队列中有数据可用。可以通过设置超时时间来限制阻塞的最长时间防止任务无限期等待。优先级处理正常优先级尾部发送数据通常被添加到队列的尾部。高优先级头部发送 FreeRTOS 也支持将数据插入队列的头部例如 xQueueSendToFront() 这对于需要立即处理的紧急消息很有用。消息队列的工作原理一、队列创建时内存分配逻辑创建消息队列时 FreeRTOS 会先给消息队列分配一块内存空间这块内存的大小等于消息队列控制块大小加上单个消息空间大小与消息队列长度的乘积接着再初始化消息队列此时消息队列为空。队列总内存队列控制块内存大小单条消息大小 × 队列最大长度一块连续内存分为两部分队列控制块Queue 结构体保存队列元信息头指针、尾指针、单条消息大小、最大长度、当前消息数量消息存储区消息长度 × 单条消息大小用来存放所有入队数据。关键点创建队列瞬间就一次性申请完全部内存队列满 / 空不会动态增减内存。只有调用删除队列 API 时整块内存才释放。创建时确定两大参数运行中不可修改uxItemSize单个消息占用字节uxLength队列最大容纳消息数量。二、消息入队普通消息 / 紧急消息任务或者中断服务程序都可以给消息队列发送消息APIosMessageQueuePut()普通消息、osMessageQueuePutFront()紧急消息任务、中断服务程序都可以向队列发送消息osMessageQueuePut()数据拷贝至队尾队列未满正常存入消息队列已满任务进入阻塞等待设置超时时间等待期间出现空位 → 任务转为就绪态超时依旧无空位 → 函数返回错误码。osMessageQueuePutFront()消息存入队头优先被接收任务读取用于紧急数据。三、消息出队读取消息APIosMessageQueueGet()读取消息时可指定阻塞超时时间队列存在数据直接拷贝队首消息队列为空任务进入阻塞态等待新消息收到新消息 → 任务自动切换为就绪态超时仍无数据 → 退出阻塞返回错误。四、任务调度当发送任务成功将数据放入队列并且有任务正在等待从该队列接收数据时等待中的接收任务如果其优先级高于当前任务可能会被解除阻塞并立即得到调度。同样当接收任务成功取出数据并且有任务正在等待向该队列发送数据时等待中的发送任务也可能被解除阻塞。消息队列中的常用函数使用队列模块的典型流程如下创建消息队列。写队列操作。读队列操作。删除队列。一、osMessageQueueNew()--消息队列创建函数osMessageQueueNew()用于创建一个新的队列并返回可用于访问这个队列的队列句柄。队列句柄其实就是一个指向队列数据结构类型的指针。队列就是一个数据结构用于任务间的数据的传递。每创建一个新的队列都需要为其分配RAM,可选择使用静态或者动态的方式分配。其函数源码如下所示//创建消息队列 osMessageQueueId_t osMessageQueueNew (uint32_t msg_count, uint32_t msg_size, const osMessageQueueAttr_t *attr) { QueueHandle_t hQueue; int32_t mem; //动态或静态内存分配标志 #if (configQUEUE_REGISTRY_SIZE 0) const char *name; #endif hQueue NULL; //该函数不能在中断中执行同时消息队列大小、数量不能为0 if (!IS_IRQ() (msg_count 0U) (msg_size 0U)) { mem -1; //判断消息队列控制块是否为空 if (attr ! NULL) { //当消息队列的控制块成员cb_mem、cb_size、mq_mem、mq_size均被赋正确值时。将mem赋1在后面代码使用静态内存方式创建线程 if ((attr-cb_mem ! NULL) (attr-cb_size sizeof(StaticQueue_t)) (attr-mq_mem ! NULL) (attr-mq_size (msg_count * msg_size))) { mem 1; } } else { //当cb_mem、cb_size、mq_mem、mq_size均为空时将mem赋0在后面代码使用动态内存方式创建线程 if ((attr-cb_mem NULL) (attr-cb_size 0U) (attr-mq_mem NULL) (attr-mq_size 0U)) { mem 0; } } } else { mem 0; } //使用静态内存创建消息队列 if (mem 1) { hQueue xQueueCreateStatic (msg_count, msg_size, attr-mq_mem, attr-cb_mem); } else { //使用动态内存创建消息队列 if (mem 0) { hQueue xQueueCreate (msg_count, msg_size); } } #if (configQUEUE_REGISTRY_SIZE 0) if (hQueue ! NULL) { if (attr ! NULL) { name attr-name; } else { name NULL; } //给消息队列分配名称并将该队列加入到队列注册表中 vQueueAddToRegistry (hQueue, name); } #endif return ((osMessageQueueId_t)hQueue); }整体逻辑总览不能在中断里调用同时校验参数msg_count、msg_size必须大于 0判断传入的attr属性区分两种创建模式模式 0attrNULL或者 attr 全部内存指针填 NULL → 动态分配xQueueCreate()模式 1用户手动提供cb_mem、mq_mem内存缓冲区 → 静态分配xQueueCreateStatic()创建成功后如果开启队列注册表把队列名字注册进去调试 RTOS 对象查看将 FreeRTOS 原生句柄QueueHandle_t强制转换成 CMSIS 句柄osMessageQueueId_t返回。参数解释uint32_t msg_count队列最多存放多少条消息例如osMessageQueueNew(10, sizeof(int), NULL);创建一个容量10的队列内部[ ][ ][ ][ ][ ][ ][ ][ ][ ][ ] 10个位置uint32_t msg_size每条消息大小const osMessageQueueAttr_t *attr属性结构体/// Attributes structure for message queue. typedef struct { const char *name; /// name of the message queue uint32_t attr_bits; /// attribute bits void *cb_mem; /// memory for control block uint32_t cb_size; /// size of provided memory for control block void *mq_mem; /// memory for data storage uint32_t mq_size; /// size of provided memory for data storage } osMessageQueueAttr_t;数据字段const char *name消息队列的名称指向具有人类可读名称的消息队列对象的字符串。默认值NULL 。uint32_tattr_bits属性位保留以供将来使用设为 0。默认值0 。void *cb_mem内存控制块指向消息队列控制块对象的内存位置。这可以选择用于定制内存管理系统。默认值NULL使用内核内存管理。uint32_tcb_size为控制块提供的内存大小内存块的大小与 cb_mem 一起传递。必须是消息队列控制块对象的大小或更大。void *mq_mem内存数据存储指向消息队列对象数据的内存位置。默认值NULL 。uint32_tmq_size为数据存储提供的内存大小通过 mq_mem 传递的内存大小。用于指定名称内存位置静态分配例如osMessageQueueAttr_t attr { .nameUART_QUEUE, .cb_memqueue_cb, .cb_sizesizeof(queue_cb), .mq_memqueue_buffer, .mq_size100 };定义变量QueueHandle_t hQueue;FreeRTOS队列句柄。本质一个指针。类似hQueue | ↓ Queue控制块 ------------ |消息数量 | |消息大小 | |读写位置 | |等待任务列表 | ------------int32_t mem;用来记录使用哪种内存方式三个状态mem含义1静态内存0动态内存-1错误初始化句柄hQueue NULL;代表目前没有队列把局部变量hQueue队列句柄初始化为空表示“当前还没有创建成功的队列”。判断创建条件if (!IS_IRQ() (msg_count 0U) (msg_size 0U))条件1!IS_IRQ()当前是不是中断。因为创建队列需要分配内存操作链表中断环境禁止。条件2msg_count 0队列长度不能为0。条件3msg_size 0消息大小不能为0。if (attr ! NULL) { if ((attr-cb_mem ! NULL) (attr-cb_size sizeof(StaticQueue_t)) (attr-mq_mem ! NULL) (attr-mq_size (msg_count * msg_size))) { mem 1; } else { if ((attr-cb_mem NULL) (attr-cb_size 0U) (attr-mq_mem NULL) (attr-mq_size 0U)) { mem 0; } } }if (attr ! NULL)说明用户有没有指定属性情况1用户提供attr,可能静态创建情况2attrNULL,使用默认动态创建静态内存判断重点)if( (attr-cb_mem ! NULL) (attr-cb_size sizeof(StaticQueue_t)) (attr-mq_mem ! NULL) (attr-mq_size msg_count*msg_size) )其中关于cb_memcb_sizemq_memmq_size参数解释看[FreeRTOS]消息队列Queue注意mq_memMessage QueueMemory是真正存消息的地方例如队列10个消息每个4字节需要10×440Byte所以是mq_size msg_count*msg_size所以当两个条件都满足时mem1;代表使用静态内存。静态创建if (mem 1) { #if (configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION 1) hQueue xQueueCreateStatic (msg_count, msg_size, attr-mq_mem, attr-cb_mem); #endif }#if 和 #endif 是什么预处理判断是在编译之前判断。第一步编译前检查配置如果#define configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION 1那么#if (11)成立。则代码保留hQueuexQueueCreateStatic();如果配置#define configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION 0那么#if(01)不成立。预处理后if(mem1) { }。也就是说静态创建代码直接不存在。动态创建else { if (mem 0) { #if (configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION 1) hQueue xQueueCreate (msg_count, msg_size); #endif } }队列注册Queue Registry机制vQueueAddToRegistry()是 FreeRTOS 给队列注册名字的函数它把QueueHandle_t 和字符串名字保存到一个全局数组中方便调试工具查看不参与队列收发数据也不影响系统运行。详细过程太复杂请自行学习返回值return ((osMessageQueueId_t)hQueue);将FreeRTOS创建出来的 QueueHandle_t 句柄转换成 CMSIS-RTOS 统一的消息队列句柄并返回给用户供后续发送、接收、删除队列使用。如果创建成功则返回一个队列ID用于访问创建的队列。如果创建不成功则返回NULL在上面代码中使用“mem”变量作为动态内存分配或者静态内存分配的判别标志判断依据是对 osMessageQueueAttr_t结构体中的cb_mem、cb_size、mq_mem、mq_size四个成员变量进行赋值判断当我们对这四个成员变量赋予正确的值时将使用静态内存分配的方式创建消息队列当这四个成员变量为空时将使用动态内存的方式创建消息队列。二、osMessageQueuePut()--向消息队列发送消息函数任务或者中断服务程序都可以给消息队列发送消息当发送消息时如果队列未满或者允许覆盖入队 FreeRTOS会将消息拷贝到消息队列队尾否则会根据用户指定的阻塞超时时间进行阻塞在这段时间中如果队列一直不允许入队该任务将保持阻塞状态以等待队列允许入队。当其它任务从其等待的队列中读取入了数据队列未满该任务将自动由阻塞态转为就绪态。当任务等待的时间超过了指定的阻塞时间即使队列中还不允许入队任务也会自动从阻塞态转移为就绪态此时发送消息的任务或者中断程序会收到一个错误码。osMessageQueuePut函数源码如下所示//通过消息队列发送消息 osStatus_t osMessageQueuePut (osMessageQueueId_t mq_id, const void *msg_ptr, uint8_t msg_prio, uint32_t timeout) { QueueHandle_t hQueue (QueueHandle_t)mq_id; osStatus_t stat; BaseType_t yield; (void)msg_prio; /* Message priority is ignored */ stat osOK; //在中断中发送消息队列 if (IS_IRQ()) { //参数出错判断在中断中并不能设置超时等待 if ((hQueue NULL) || (msg_ptr NULL) || (timeout ! 0U)) { stat osErrorParameter; } else { yield pdFALSE; //使用xQueueSendToBackFromISR函数若导致一个任务解锁yield为pdTRUE if (xQueueSendToBackFromISR (hQueue, msg_ptr, yield) ! pdTRUE) { stat osErrorResource; } else { //使用xQueueSendToBackFromISR函数若导致一个较高优先级任务解锁yield为pdTRUE则进行一次任务调度 portYIELD_FROM_ISR (yield); } } } //在非中断中使用此函数 else { //参数出错判断 if ((hQueue NULL) || (msg_ptr NULL)) { stat osErrorParameter; } else { //xQueueSendToBack函数以FIFO方式进行发送 if (xQueueSendToBack (hQueue, msg_ptr, (TickType_t)timeout) ! pdPASS) { if (timeout ! 0U) { stat osErrorTimeout; } else { stat osErrorResource; } } } } return (stat); }参数解释osMessageQueuePutCMSIS-RTOS V2 标准 API向消息队列尾部写入一条消息mq_id消息队列句柄msg_ptr待发送消息数据指针msg_prio消息优先级FreeRTOS 原生普通队列不支持消息优先级只有消息邮箱 / 优先级队列才生效timeout阻塞等待超时时间单位系统时钟节拍 ticks返回值osStatus_t状态码osOK/osErrorParameter/osErrorResource/osErrorTimeout句柄转换QueueHandle_t hQueue (QueueHandle_t)mq_id;将 CMSIS 的队列句柄类型强制转换为底层 FreeRTOS 原生队列句柄定义状态变量osStatus_t stat;保存函数返回结果。成功osOK失败osErrorParameterosErrorTimeoutosErrorResourceyield变量BaseType_t yield;中断版本 API 专用标记pdTRUE 代表释放消息后唤醒了更高优先级任务需要触发上下文切换FreeRTOS任务调度的关键忽略消息优先级(void)msg_prio;表示故意不用这个参数。FreeRTOS 标准xQueueSendToBack普通队列不支持单条消息优先级所以这个参数直接丢弃。默认状态初始化为执行成功stat osOK;判断当前是不是中断if(IS_IRQ())判断当前代码运行环境是否处于中断服务函数 ISR 内IS_IRQ()是 CubeMX 封装宏检测处理器当前运行模式。关键规则中断里面不能调用不带 FromISR 后缀的FreeRTOS 函数也不能阻塞等待中断环境部分if ( (hQueue NULL)// 队列为空 || (msg_ptr NULL)// 消息地址为空 || (timeout ! 0U)//timeout必须为0 )队列为空消息地址为空timeout必须为0因为中断不能等待中断上下文不允许阻塞等待timeout 必须写 0只要传入非 0 直接返回参数错误。ISR发送流程yield pdFALSE;初始化不要求切换任务。然后中断版本发送。else { yield pdFALSE; //使用xQueueSendToBackFromISR函数若导致一个任务解锁yield为pdTRUE if (xQueueSendToBackFromISR (hQueue, msg_ptr, yield) ! pdTRUE) { stat osErrorResource; }参数hQueue队列。msg_ptr数据。yield告诉FreeRTOS发送完成后是否需要任务切换。yield传出参数写入消息后如果唤醒了更高优先级任务 → 设置为 pdTRUE返回值 pdTRUE队列已满无法放入消息 → 状态osErrorResource资源不可用队列满消息入队成功else { //使用xQueueSendToBackFromISR函数若导致一个较高优先级任务解锁yield为pdTRUE则进行一次任务调度 portYIELD_FROM_ISR (yield); } }执行portYIELD_FROM_ISR(yield)如果 yieldpdTRUE触发中断内任务切换退出中断后立刻运行高优先级任务如果 yieldpdFALSE不进行调度普通任务上下文非中断分支else { //xQueueSendToBack函数以FIFO方式进行发送 if (xQueueSendToBack (hQueue, msg_ptr, (TickType_t)timeout) ! pdPASS) { if (timeout ! 0U) { stat osErrorTimeout; } else { stat osErrorResource; } } } }首先检查队列句柄和消息地址是否有效如果参数正确则调用FreeRTOS的xQueueSendToBack()将消息复制到队列尾部。如果队列有空间发送成功如果队列满根据 timeout 参数决定是否等待等待后仍失败返回osErrorTimeout如果不等待直接失败返回osErrorResource。这段代码其实就是 FreeRTOS任务间通信阻塞机制的核心体现三、osMessageQueueGet()--从消息队列读取消息函数当任务试图读队列中的消息时可以指定一个阻塞超时时间当且仅当消息队列中有消息的时候任务才能读取到消息。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。当其他任务或中断服务程序往其等待的队列中写入了数据该任务将自动由阻塞态转为就绪态。当任务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。//获取消息队列信息 osStatus_t osMessageQueueGet (osMessageQueueId_t mq_id, void *msg_ptr, uint8_t *msg_prio, uint32_t timeout) { QueueHandle_t hQueue (QueueHandle_t)mq_id; osStatus_t stat; BaseType_t yield; (void)msg_prio; /* Message priority is ignored */ stat osOK; //在中断中使用获取消息队列函数 if (IS_IRQ()) { if ((hQueue NULL) || (msg_ptr NULL) || (timeout ! 0U)) { stat osErrorParameter; } else { yield pdFALSE; if (xQueueReceiveFromISR (hQueue, msg_ptr, yield) ! pdPASS) { stat osErrorResource; } else { /* 同消息队列发送函数当使用xQueueReceiveFromISR函数获取消息时 * 导致一个较高优先级任务解锁那么yield的值为pdTRUE则进行一次任务调度 */ portYIELD_FROM_ISR (yield); } } } //不在中断中使用获取消息队列函数 else { if ((hQueue NULL) || (msg_ptr NULL)) { stat osErrorParameter; } else { if (xQueueReceive (hQueue, msg_ptr, (TickType_t)timeout) ! pdPASS) { if (timeout ! 0U) { stat osErrorTimeout; } else { stat osErrorResource; } } } } return (stat); }osMessageQueueGet()是和osMessageQueuePut()完全对称的逻辑发送任务可能阻塞等待空间接收任务可能阻塞等待数据。所以这里不做太多赘述本章结束

[FreeRTOS]消息队列（Queue）

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