FreeRTOS消息队列

队列简介

更详细的操作入下图所示：

传输数据的方法

FreeRTOS中的队列传输使用的是拷贝：把数据、把变量的值复制进队列里

FreeRTOS 使用拷贝值的方法，这更简单：

（1）局部变量的值可以发送到队列中，后续即使函数退出、局部变量被回收，也不会影响队列中的数据。

（2）无需分配 buffer 来保存数据，队列中有 buffer

（3）局部变量可以马上再次使用

（4）发送任务、接收任务解耦：接收任务不需要知道这数据是谁的、也不需要发送任务来释放数据

（5）如果数据实在太大，你还是可以使用队列传输它的地址

（6）队列的空间有 FreeRTOS 内核分配，无需任务操心

（7）对于有内存保护功能的系统，如果队列使用引用方法，也就是使用地址，必须确保双方任务对这个地址都有访问权限。使用拷贝方法时，则无此限制：内核有足够的权限，把数据复制进队列、再把数据复制出队列。

队列函数

使用队列的流程：创建队列、写队列、读队列、删除队列。

创建

队列的创建有两种方法：动态分配内存、静态分配内存。

函数原型如下：

动态分配：

QueueHandle_t xQueueCreate( UBaseType_t uxQueueLength, UBaseType_t uxItemSize );

静态分配：

QueueHandle_t xQueueCreateStatic ( UBaseType_t uxQueueLength , UBaseType_t uxItemSize , uint8_t * pucQueueStorageBuffer , StaticQueue_t * pxQueueBuffer );

复位

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，此函数原型为：

/* pxQueue : 复位哪个队列;

* 返回值: pdPASS(必定成功)

BaseType_t xQueueReset( QueueHandle_t pxQueue);

删除

删除队列的函数为 vQueueDelete() ，只能删除使用动态方法创建的队列，它会释放内存。原型如下：

void vQueueDelete( QueueHandle_t xQueue );

写队列

可以把数据写到队列头部，也可以写到尾部，这些函数有两个版本：在任务中使用、在ISR中使用。函数原型如下：

任务中往尾部写入：

/* 等同于xQueueSendToBack
* 往队列尾部写入数据，如果没有空间，阻塞时间为xTicksToWait
*/
BaseType_t xQueueSend(QueueHandle_t xQueue,const void *pvItemToQueue,TickType_t xTicksToWait);

在ISR中往尾部写入：

/* 
* 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
*/
BaseType_t xQueueSendToBackFromISR(QueueHandle_t xQueue,const void *pvItemToQueue,BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken);

这些函数用到的参数是类似的，统一说明如下：

读队列

使用 xQueueReceive() 函数读队列，读到一个数据后，队列中该数据会被移除。这个函数有两个版本：在任务中使用、在 ISR 中使用。函数原型如下：

BaseType_t xQueueReceive( QueueHandle_t xQueue,void * const pvBuffer,TickType_t xTicksToWait );
BaseType_t xQueueReceiveFromISR(QueueHandle_t xQueue,void *pvBuffer,BaseType_t *pxTaskWoken);

参数说明如下：

查询

可以查询队列中有多少个数据、有多少空余空间。函数原型如下：

/*
* 返回队列中可用数据的个数
*/
UBaseType_t uxQueueMessagesWaiting( const QueueHandle_t xQueue );
/*
* 返回队列中可用空间的个数
*/
UBaseType_t uxQueueSpacesAvailable( const QueueHandle_t xQueue );

覆盖/偷看

当队列长度为 1 时，可以使用 xQueueOverwrite() 或 xQueueOverwriteFromISR()来覆盖数据。

注意，队列长度必须为 1。当队列满时，这些函数会覆盖里面的数据，这也以为着这些函数不会被阻塞。

函数原型如下：

/* 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);

如果想让队列中的数据供多方读取，也就是说读取时不要移除数据，要留给后来人。那么可以使用" 窥视 " ，也就是 xQueuePeek() 或 xQueuePeekFromISR() 。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。函数原型如下：

/* 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,);

队列的阻塞访问（Key！！！）

只要知道队列的句柄，谁都可以读、写该队列。任务、ISR 都可读、写队列。可以多个任务读写队列。

任务读写队列时，简单地说：如果读写不成功，则阻塞；可以指定超时时间。口语化地说，就是可以定个闹钟：如果能读写了就马上进入就绪态，否则就阻塞直到超时。某个任务读队列时，如果队列没有数据，则该任务可以进入阻塞状态：还可以指定阻塞的时间。如果队列有数据了，则该阻塞的任务会变为就绪态。如果一直都没有数据，则时间到之后它也会进入就绪态。既然读取队列的任务个数没有限制，那么当多个任务读取空队列时，这些任务都会进入阻塞状态：有多个任务在等待同一个队列的数据。当队列中有数据时，哪个任务会进入就绪态？

⚫ 优先级最高的任务

⚫ 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

跟读队列类似，一个任务要写队列时，如果队列满了，该任务也可以进入阻塞状态：还可以指定阻塞的时间。如果队列有空间了，则该阻塞的任务会变为就绪态。如果一直都没有空间，则时间到之后它也会进入就绪态。既然写队列的任务个数没有限制，那么当多个任务写" 满队列 " 时，这些任务都会进入阻塞状态：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？

⚫ 优先级最高的任务

⚫ 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

这里要补充一点，进入阻塞态就是把任务写到阻塞链表里面，就绪态就是把任务写入到就绪链表里面。

队列进阶使用（队列集）

假设有 2 个输入设备：红外遥控器、旋转编码器，它们的驱动程序应该专注于“产生硬件数据”，不应该跟“业务有任何联系”。比如：红外遥控器驱动程序里，它只应该把键值记录下来、写入某个队列，它不应该把键值转换为游戏的控制键。在红外遥控器的驱动程序里，不应该有游戏相关的代码，这样，切换使用场景时，这个驱动程序还可以继续使用。相当于多一个队列进行中转，一个队列对硬件数据进行处理，并把自己写进另一个队列，另一个队列会根据自己队列里面的”数据“，来对硬件数据转换成自己需要的数据。

队列集的本质也是队列，只不过里面存放的是“队列句柄”。 使用过程如下：

a. 创建队列 A，它的长度是 n1

b. 创建队列 B，它的长度是 n2

c. 创建队列集 S，它的长度是“n1+n2”

d. 把队列 A、B 加入队列集 S

e. 这样，写队列 A 的时候，会顺便把队列 A 的句柄写入队列集 S

f. 这样，写队列 B 的时候，会顺便把队列 B 的句柄写入队列集 S

g. InputTask 先读取队列集 S，它的返回值是一个队列句柄，这样就可以知道哪个队列有

有数据了；然后 InputTask 再读取这个队列句柄得到数据。

创建队列集

QueueSetHandle_t xQueueCreateSet( const UBaseType_t uxEventQueueLength )

把队列加入队列集

BaseType_t xQueueAddToSet( QueueSetMemberHandle_t xQueueOrSemaphore,QueueSetHandle_t xQueueSet );

读取队列集

QueueSetMemberHandle_t xQueueSelectFromSet( QueueSetHandle_t xQueueSet,TickType_t const xTicksToWait );

队列的使用示例

这里我推荐b站韦东山老师的课程，他也有讲解FreeRTOS的使用，大家要去看队列的使用示例，可以去看韦老师的课程，他确实讲的很好，我这里只是教内部机制和原理，只要会内部机制和使用原理，那么，读者可以随便找个以前写过的代码，加入队列，就可以验证自己是否成功使用到队列，

队列的内部机制核心

核心是：关中断、环形缓冲区、链表！！！

怎么互斥访问数据

简单粗暴：关中断

在queue.c中：

这里为什么要用 taskENTER_CRITICAL();来关闭中断以避免冲突呢？FreeRTOS中有这么多任务，如果说，有两个任务想要同时进行写队列，而且前一个任务还没有写完队列就被下一个写队列的任务切换，那么这样子的话，整个RTOS会乱套，所以写队列之前要关闭调度。

函数 BaseType_t xQueueGenericSend( QueueHandle_t xQueue, const void * const pvItemToQueue, TickType_t xTicksToWait, const BaseType_t xCopyPosition ) 是 FreeRTOS 中用于向队列发送数据的函数。让我们逐个解释其参数和功能：

1.xQueue：
这是一个队列句柄（QueueHandle_t），用于标识将要发送数据的目标队列。队列句柄是FreeRTOS 中管理队列的标识符，用于区分不同的队列实例。
2.pvItemToQueue：

这是一个指向将要发送到队列中的数据项的指针。它是一个 const void * 类型，即指向常量数据的指针，因为该函数并不修改实际的数据内容，只是将数据项发送到队列。

3.xTicksToWait：

这是发送数据时的超时时间，以时钟节拍（TickType_t）为单位。如果队列已满，并且在指定的超时时间内仍未能发送数据到队列，则函数将会阻塞任务或者返回一个错误码（取决于具体的使用方式）。

4.xCopyPosition：
这个参数指示了数据项在发送到队列时的复制策略。它的类型是 BaseType_t，通常用作一个标志或者枚举值，表示数据项的复制方式。具体的取值和含义可以根据实际的 FreeRTOS 配置和使用场景而有所不同。

函数功能概述：

xQueueGenericSend 函数的作用是向指定的队列 xQueue 发送一个数据项 pvItemToQueue。如果队列已满，且指定的 xTicksToWait 时间内无法发送数据项到队列，函数将会根据超时策略进行处理（可能阻塞任务或者返回一个错误码）。发送数据项的方式（复制策略）由 xCopyPosition 参数控制，确保数据项能够安全地发送到队列中，不会被意外修改或损坏。在 FreeRTOS 中，队列的发送操作是一个重要的任务间通信机制，允许一个任务将数据发送给另一个任务，实现任务间的同步和数据传递。

怎么传递数据

使用环形缓冲区传递数据。

环形缓冲区（ring buffer）也称作循环缓冲区（cyclic buffer）、圆形队列（circular queue）、圆形缓冲区（circular buffer）。环形缓冲区并不是指物理意义上的一个首尾相连成“环”的缓冲区，而是逻辑意义上的一个环，因为内存空间是线性结构，所以实际上环形缓冲区仍是一段有长度的内存空间，是一个先进先出功能的缓冲区，具备实现通信进程对该缓冲区的互斥访问功能。

环形缓冲区实际在内存空间内示意图：

环形缓冲区的长度是固定的，在使用该缓冲区时，不需要将所有的数据清除，只需要调整指向该缓冲区的pHead、pValidWrite和pTail指针位置即可。pValidWrite指针最先指向pHead指针位置（环形缓冲区开头位置），数据从pValidWrite指针处开始存储，每存储一个数据，pValidWrite指针位置向后移动一个长度，随着数据的添加，pValidWrite指针随移动数据长度大小个位置。当pValidWrite指向pTail尾部指针，pValidWrite重新指向pHead指针位置（折行处理），并且覆盖原先位置数据内容直到数据存储完毕。

实现原理：

一般构建一个环形缓冲区需要一段连续的内存空间以及4个指针：
pHead指针：指向内存空间中的首地址；
pTail指针：指向内存空间的尾地址；
pValidRead：指向内存空间存储数据的起始位置（读指针）；
pValidWrite：指向内存空间存储数据的结尾位置（写指针）。

当申请完内存以及指针定义完毕后，环形缓冲区说明及使用如下：

1.该段内存空间的长度是Len = pTail-pHead；
2.pValidRead是读数据的起始位置，当读取完N数据之后要移动N个单位长度的偏移，当有addlen长度的数据要存入到环形缓冲区，若addlen + pValidWrite > pTail时，pValidWrite将存入len1 = pTail - pValidWrite个数据长度，然后pValidWrite回到pHead位置，将剩下的len2 = addlen - len1个数据从pHead开始存储并覆盖到原来的数据内容。
3.pValidWrite是写数据的起始位置，当存入N个数据之后要移动N个单位长度的偏移，pValidRead是读数据的起始位置，当读取N个数据之后要移动N个单位长度的偏移。当要addlen长度的数据要从环形缓冲区读取，若addlen + pValidRead > pTail时，pValidRead 将读取len1 = pTail - pValidRead 个数据长度，然后pValidRead 回到pHead位置，将剩下的len2 = addlen - len1个数据从pHead开始读取完毕。

我们该怎么知道这个buff是空的还是满的呢？还有说还有空位？（我们这里假设指针类型和buff类型是一样的）。

判断环形buff为空：

pValidRead==pValidWrite。我们在创建环形buff的时候，读指针和写指针所指向的位置是一样的，只要当读指针的值等于写指针的值，那么这个buff为空，所以意味着这个队列读不了，读了会阻塞。

判断环形buff为满：

pValidRead==pValidWrite+1；当下一个写位置要等于读位置的时候，那么这个buff已经满了。所以意味这个队列写不了，写了会阻塞。

写入队列就判断buff是不是满的，如果不是满的，直接写buff->pValidWrite+=1；

读出队列就是判断buff是不是空的，如果不是空的，直接读buff-> pValidRead+=1；

写队列

调用过程：

xQueueSendToBackxQueueGenericSend/* 如果不成功: */vTaskPlaceOnEventList( &( pxQueue->xTasksWaitingToSend ), xTicksToWait );// 1. 当前任务记录在队列的链表里:  pxQueue->xTasksWaitingToSendvListInsert( pxEventList, &( pxCurrentTCB->xEventListItem ) );// 2. 把当前任务从ready list放到delayed listprvAddCurrentTaskToDelayedList( xTicksToWait, pdTRUE );

xEventListItem是为了当队列被读之后，有空位，可以通过这个链表来找回这个任务，通知他可以写队列了，来唤醒它。

DelayedList是为了当队列超时之后，通过这个链表来对这个任务进行唤醒。

一个任务写队列时，如果队列已经满了，它会被挂起，何时被唤醒？

超时：