【学习FreeRTOS】第13章——FreeRTOS队列

1.队列简介

队列是任务到任务、任务到中断、中断到任务数据交流的一种机制（消息传递）
FreeRTOS基于队列，实现了多种功能，其中包括队列集、互斥信号量、计数型信号量、二值信号量、递归互斥信号量，因此很有必要深入了解 FreeRTOS 的队列。

1.1.队列与全局变量的区别

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全局变量的弊端：数据无保护，导致数据不安全，当多个任务同时对该变量操作时，数据易受损
队列的优点：读写队列做好了保护，防止多任务同时访问冲突，我们只需要直接调用API函数即可，简单易用

1.2.队列的特点

数据入队出队方式：队列通常采用**“先进先出”(FIFO)的数据存储缓冲机制，即先入队的数据会先从队列中被读取，FreeRTOS中也可以配置为“后进先出”LIFO**方式；
数据传递方式：FreeRTOS中队列采用实际值传递，即将数据拷贝到队列中进行传递， FreeRTOS采用拷贝数据传递，也可以传递指针，所以在传递较大的数据的时候采用指针传递
多任务访问：队列不属于某个任务，任何任务和中断都可以向队列发送/读取消息
出队、入队阻塞：当任务向一个队列发送消息时，可以指定一个阻塞时间，假设此时当队列已满无法入队
若阻塞时间为0 ：直接返回不会等待；
若阻塞时间为0~port_MAX_DELAY ：等待设定的阻塞时间，若在该时间内还无法入队，超时后直接返回不再等待；
若阻塞时间为port_MAX_DELAY ：死等，一直等到可以入队为止。出队阻塞与入队阻塞类似；

1.3.队列的属性

在队列中可以存储数量有限、大小固定的数据。队列中的每一个数据叫做“队列项目”，队列能够存储“队列项目”的最大数量称为队列的长度 。在创建队列时，就要指定队列长度以及队列项目的大小。

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当多个任务写入消息给一个“满队列”时，这些任务都会进入阻塞状态，也就是说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？
1、优先级最高的任务
2、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

2.队列结构体介绍

typedef struct QueueDefinition 
{int8_t * 				pcHead							/* 存储区域的起始地址 */int8_t * 				pcWriteTo;        				/* 下一个写入的位置 */union{QueuePointers_t     xQueue; SemaphoreData_t  	xSemaphore; } u ;List_t 					xTasksWaitingToSend; 			/* 等待发送列表 */List_t 					xTasksWaitingToReceive;			/* 等待接收列表 */volatile 				UBaseType_t uxMessagesWaiting; 	/* 非空闲队列项目的数量 */UBaseType_t 			uxLength；						/* 队列长度 */UBaseType_t 			uxItemSize;                		/* 队列项目的大小 */volatile int8_t 		cRxLock; 						/* 读取上锁计数器 */volatile int8_t 		cTxLock；						/* 写入上锁计数器 *//* 其他的一些条件编译 */
} xQUEUE;//当用于队列使用时：
typedef struct QueuePointers
{int8_t * 				pcTail; 						/* 存储区的结束地址 */int8_t * 				pcReadFrom;						/* 最后一个读取队列的地址 */
} QueuePointers_t;
//当用于互斥信号量和递归互斥信号量时 ：
typedef struct SemaphoreData
{TaskHandle_t 			xMutexHolder;					/* 互斥信号量持有者 */UBaseType_t 			uxRecursiveCallCount;			/* 递归互斥信号量的获取计数器 */
} SemaphoreData_t;

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3.队列相关API函数介绍

使用队列的主要流程：创建队列——写队列——读队列。

3.1.创建队列

动态方式创建队列：xQueueCreate()【本文重点讲解】
静态方式创建队列：xQueueCreateStatic()

区别：队列所需的内存空间由 FreeRTOS 从 FreeRTOS 管理的堆中分配，而静态创建需要用户自行分配内存。

#define xQueueCreate(uxQueueLength, uxItemSize)	xQueueGenericCreate((uxQueueLength), (uxItemSize),(queueQUEUE_TYPE_BASE ))
#define queueQUEUE_TYPE_BASE                  	( ( uint8_t ) 0U )	/* 队列 */
#define queueQUEUE_TYPE_SET                  	( ( uint8_t ) 0U )	/* 队列集 */
#define queueQUEUE_TYPE_MUTEX                 	( ( uint8_t ) 1U )	/* 互斥信号量 */
#define queueQUEUE_TYPE_COUNTING_SEMAPHORE    	( ( uint8_t ) 2U )	/* 计数型信号量 */
#define queueQUEUE_TYPE_BINARY_SEMAPHORE     	( ( uint8_t ) 3U )	/* 二值信号量 */
#define queueQUEUE_TYPE_RECURSIVE_MUTEX       	( ( uint8_t ) 4U )	/* 递归互斥信号量 */

形参uxQueueLength：队列长度
形参uxItemSize：队列项目的大小
queueQUEUE_TYPE_BASE：宏定义，创建队列的类型，本文是队列
返回值：NULL ，队列创建失败；其他值，队列创建成功，返回队列句柄【句柄也即是队列的首地址】

3.2.写队列

xQueueSend() ：往队列的尾部写入消息
xQueueSendToBack()：同 xQueueSend()
xQueueSendToFront()：往队列的头部写入消息
xQueueOverwrite()：覆写队列消息（只用于队列长度为 1 的情况）
xQueueSendFromISR()：在中断中往队列的尾部写入消息
xQueueSendToBackFromISR()：同 xQueueSendFromISR()
xQueueSendToFrontFromISR()：在中断中往队列的头部写入消息
xQueueOverwriteFromISR()：在中断中覆写队列消息（只用于队列长度为 1 的情况）

头部写入与尾部写入的区别：头部写入从队列项1开始往后写（可循环），尾部写入从队列n开始写（可循环）

本文重点讲前四个，这几个写入函数调用的是同一个函数xQueueGenericSend( )，只是指定了不同的写入位置

#define queueSEND_TO_BACK                     ( ( BaseType_t ) 0 )		/* 写入队列尾部 */
#define queueSEND_TO_FRONT                    ( ( BaseType_t ) 1 )		/* 写入队列头部 */
#define queueOVERWRITE                        ( ( BaseType_t ) 2 )		/* 覆写队列*/#define  	xQueueSend(  xQueue,   pvItemToQueue,   xTicksToWait  )	 					\    xQueueGenericSend( ( xQueue ), ( pvItemToQueue ), ( xTicksToWait ), queueSEND_TO_BACK )
#define  	xQueueSendToBack(  xQueue,   pvItemToQueue,   xTicksToWait  )					 \    xQueueGenericSend( ( xQueue ), ( pvItemToQueue ), ( xTicksToWait ), queueSEND_TO_BACK )
#define  	xQueueSendToFront(  xQueue,   pvItemToQueue,   xTicksToWait  ) 					\   xQueueGenericSend( ( xQueue ), ( pvItemToQueue ), ( xTicksToWait ), queueSEND_TO_FRONT )
#define  	xQueueOverwrite(  xQueue,   pvItemToQueue  ) 								\    xQueueGenericSend( ( xQueue ), ( pvItemToQueue ), 0, queueOVERWRITE )

BaseType_t	xQueueGenericSend(	QueueHandle_t 			xQueue, const void * const 		pvItemToQueue, TickType_t 				xTicksToWait,const BaseType_t 		xCopyPosition);

参数xQueue：待写入的队列
参数pvItemToQueue：待写入消息
参数xTicksToWait：阻塞超时时间
参数xCopyPosition：写入的位置
返回值：pdTRUE，队列写入成功；errQUEUE_FULL ，队列写入失败

const void * const 表示一个不可修改的指针，它指向不可修改的 void 类型数据。void 指针通常用于表示未知类型的数据，而 const 修饰符确保无论是指针本身还是指向的数据都不会被修改。
无论是写入数字还是地址，都只需要把变量的地址传入即可，函数会自动赋值。

3.3.读队列

xQueueReceive() ：从队列头部读取消息，并删除消息
xQueuePeek()：从队列头部读取消息
xQueueReceiveFromISR() ：在中断中从队列头部读取消息，并删除消息
xQueuePeekFromISR() ：在中断中从队列头部读取消息

头部读取删除的底层原理：队列结构体成员uxMessagesWaiting的变化，删除则变化，不删除则不变化

BaseType_t	xQueueReceive(	QueueHandle_t xQueue, void * const pvBuffer, TickType_t xTicksToWait )
BaseType_t  xQueuePeek( 	QueueHandle_t xQueue, void * const pvBuffer, TickType_t xTicksToWait )

形参xQueue：待读取的队列
形参pvBuffer：信息读取缓冲区
形参xTicksToWait：阻塞超时时间
返回值：pdTRUE，读取成功；pdFALSE，读取失败

void * const 表示一个指向不可修改的数据的指针，但它可以指向任何类型的数据。这种类型的指针通常用于需要保护指针不被意外修改，但允许修改指向的数据的情况。
无论是读出数字还是地址，都只需要把变量的地址传入即可，函数会自动赋值。

4.队列操作实验

实验目的：学习 FreeRTOS 的队列相关API函数的使用，实现队列的入队和出队操作。
实验设计：将设计四个任务：start_task、task1、task2、task3
start_task：用来创建task1和task2以及task3任务
task1：当按键key0或key1按下，将键值拷贝到队列key_queue（入队）；当按键key_up按下，将传输大数据，这里拷贝大数据的地址到队列big_date_queue中
task2：读取队列key_queue中的消息（出队），打印出接收到的键值
task3：从队列big_date_queue读取大数据地址，通过地址访问大数据