FreeRTOS队列基础知识

一、malloc函数

?

?malloc函数使用形式
????????关于malloc所开辟空间类型：malloc只开辟空间，不进行类型检查，只是在使用的时候进行类型的强转。
????????举个例子：‘我’开辟你所需要大小的字节大小空间，至于怎么使用是你的事
????????mallo函数返回的实际是一个无类型指针，必须在其前面加上指针类型强制转换才可以使用
指针自身 = (指针类型*）malloc（sizeof（指针类型）*数据数量）
c语言malloc函数的用法和意义-CSDN博客https://blog.csdn.net/qq_42565910/article/details/90346236

	int *p = NULL;
	int n = 10;
	p = (int *)malloc(sizeof(int)*n);

二、FreeRTOS队列的特性

2.1常规操作

队列的简化操如入下图所示，从此图可知：
????????队列可以包含若干个数据：队列中有若干项，这被称为"长度"(length)
????????每个数据大小固定
????????创建队列时就要指定长度、数据大小
????????数据的操作采用先进先出的方法(FIFO，First In First Out)：写数据时放到尾部，读数据时从头部读
????????也可以强制写队列头部：覆盖头部数据

2.2传输数据的两种方法

使用队列传输数据时有两种方法：
????????拷贝：把数据、把变量的值复制进队列里
????????引用：把数据、把变量的地址复制进队列里
FreeRTOS使用拷贝值的方法：

????????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
????????无需分配buffer来保存数据，队列中有buffer
????????局部变量可以马上再次使用
????????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
????????如果数据实在太大，你还是可以使用队列传输它的地址
????????队列的空间由FreeRTOS内核分配，无需任务操心

????????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。

????????如果储存在队列中的数据过大，最好是使用数据的指针而不是数据本身。这不管是在处理时间上，还是创建队列所需要的内存上都更有效。但同时也需要注意：

????????指针使用的内存的拥有者必须明确定义。当在 task 之间通过指针分享内存时，最基本的要确认多个 task 不会同时修改内存，或者做其它会使内存中数据无效的操作。理想情况下，发送 task 可以在内存入队之前有权访问。接收 task 只有在出队之后可以访问。

????????指针指向的内存应保持有效。如果内存是动态地分配的，或者从一个预先分配好的 buffer 里获得的，必须有且只有一个 task 负责释放它。释放后不能再访问。指针不能指向 task 栈空间上的内存。

【壹拾玖】FreeRTOS 上使用队列传输大型或可变大小数据 - 知乎 (zhihu.com)https://zhuanlan.zhihu.com/p/453888790????????接下来示例如何在 task 之间使用队列传输指针。首先创建一个可以存储 5 个指针的队列，然后在发送 task 中申请一个内存并写入一个字符串，将该内存的指针压入队列。最后从接收 task 中接收这个字符串并打印。

FreeRTOS中的xQueueCreate，xQueueSend，xQueueReceive-CSDN博客https://blog.csdn.net/qq_38531460/article/details/117807671

xQueueCreate：

创建一个新的队列。为新的队列分配所需的存储内存，并返回一个队列处理。

原型：
xQueueHandle xQueueCreate(?
? ?unsigned portBASE_TYPE uxQueueLength,?
? ?unsigned portBASE_TYPE uxItemSize?
);

?????????uxQueueLength?? ?队列中包含最大项目数量。
????????uxItemSize?? ?队列中每个项目所需的字节数。项目通过复制而不是引用排队，因为，所需的字节数，将复制给每个项目。队列中每个项目必须分配同样大小。

struct tagMsgQueuePara
{
	xQueueHandle ParseQueueHandle;
}RamPara；
 
struct tagTaskQueueMessage
{	
    int Message;
};
 
RamPara = xQueueCreate(1, sizeof(struct tagTaskQueueMessage));
这样就创建了一个tagTaskQueueMessage结构体的空间

xQueuSend：

原型：
 portBASE_TYPE xQueueSend( 
   xQueueHandle xQueue, 
   const void * pvItemToQueue, 
   portTickType xTicksToWait 
);

这是一个函数原型的声明，用于向队列中发送数据。

参数说明：

• xQueueHandle xQueue：要发送数据的队列句柄
• const void * pvItemToQueue：要发送的数据指针，项目的大小，由队列创建时定义，因为许多字节可以从 pvItemToQueue复制到队列的储存区域?
• portTickType xTicksToWait：发送数据时等待的时间，单位为时钟节拍数，因此如果需要，常量portTICK_RATE_MS应该用来转换实时时间，如果设置为0，调用将立即返回。

函数返回一个portBASE_TYPE类型的值，表示数据发送是否成功。

struct tagTaskQueueMessage
{	
    int Message;
};
struct tagTaskQueueMessage message;
 
message.Message = 1;
 
xQueueSend(RamPara,
		    (void *)&message,
			(portTickType)0);
沿用了上面的创建，这样就入队了。

?xQueueReceive:? ?

从队列接收一个项目。这个项目通过复制接收，因此缓冲器必须提供足够大的空间。复制进缓冲器的字节数，在队列创建时已经定义。

原型：
portBASE_TYPE xQueueReceive( 
  xQueueHandle xQueue, 
  void *pvBuffer, 
  portTickType xTicksToWait 
);

?pxQueue?? ?将要接收项目的队列句柄
pvBuffer?? ?指向将要复制接收项?目的缓冲器的指针。
xTicksToWait?? ?任务中断并等待队列中可用空间的最大时间，应该是满的。如果设置为0，调用将立刻返回。时间在片区间中定义，如果需要，portTICK_RATE_MS常量用来转换为实际时间。
如果 INCLUDE_vTaskSuspend 定义为1 ，指定的中断时间（ portMAX_DELAY） 将导致任务无限期中断（没有时间溢出）。

struct tagTaskQueueMessage
{	
    int Message;
};
struct tagTaskQueueMessage message1;
 
xQueueReceive(RamPara,
			(void *)&message1,
			0xffff);
沿用上面的，，这样就出队获取了数据。

????????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

2.3使用队列的流程：创建队列、写队列、读队列、删除队列

三、创建队列

? ? 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 );

// 示例代码
#define QUEUE_LENGTH 10
#define ITEM_SIZE sizeof( uint32_t )
// xQueueBuffer用来保存队列结构体
StaticQueue_t xQueueBuffer;
// ucQueueStorage 用来保存队列的数据
// 大小为：队列长度 * 数据大小
uint8_t ucQueueStorage[ QUEUE_LENGTH * ITEM_SIZE ];
void vATask( void *pvParameters )
{
QueueHandle_t xQueue1;
// 创建队列: 可以容纳QUEUE_LENGTH个数据，每个数据大小是ITEM_SIZE
xQueue1 = xQueueCreateStatic( QUEUE_LENGTH,
ITEM_SIZE,
ucQueueStorage,
&xQueueBuffer );
}

????????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);

四、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：

/* 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,
这些函数用到的参数是类似的，统一说明如下：
TickType_t xTicksToWait
);
/*
* 往队列尾部写入数据，如果没有空间，阻塞时间为xTicksToWait
*/
BaseType_t xQueueSendToBack(
QueueHandle_t xQueue,
const void *pvItemToQueue,
TickType_t xTicksToWait
);
/*
* 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
);
/*
* 往队列头部写入数据，如果没有空间，阻塞时间为xTicksToWait
*/
BaseType_t xQueueSendToFront(
QueueHandle_t xQueue,
const void *pvItemToQueue,
TickType_t xTicksToWait
);
/*
* 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
*/
BaseType_t xQueueSendToFrontFromISR(
QueueHandle_t xQueue,
const void *pvItemToQueue,
BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken
);

所谓中断是指当CPU正在处理某件事情的时候，外部发生的某一事件
（如一个电平的变化，一个脉冲沿的发生或 定时器计数溢出等）请求CPU迅速去处理，
于是CPU暂时中止当前的工作，转去处理所发生的事件。
中断服务处理完该事件以后，再回到原来被中止的地方继续原来的工作。
中断是一种硬件机制，用于通知CPU有个异步事件发生了。
中断一旦被系统识别，CPU则保存部分(或全部)现场(context)，即部分(或全部） 寄存器的值，跳转到专门的 子程序，称为中断服务程序(ISR)。 
中断服务程序做事件处理，处理完成后执行任务调度，程序回到就绪态优先级最高的任务开始运行（对于可剥夺型内核）。

?返回值是BaseType_t，经典返回值，要不就是pdPass，要不就是队列满了，失败

第一个参数是指哪个队列进行操作，第二个参数是传入的数据，或者说是写入队列的数据，但注意传入的是数据的地址，不是数据本身，第三个参数是等待时间，一般写0就行，表示无法写入数据时函数会立即返回。

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

五、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
);

读队列，返回值同样是经典的pdPASS，第一个参数是确定读取的队列是哪一个，第二个参数是要读取的数据的地址，第三个参数是等待时间。读数据往往会设置一个最大阻塞时间，通过下语句进行设置：

const TickType_t xTicksToWait = pdMS_TO_TICKS( 100UL );

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 );

六、队列的基本使用

????????本程序会创建一个队列，然后创建2个发送任务、1个接收任务：
????????????????发送任务优先级为1，分别往队列中写入100、200
????????????????接收任务优先级为2，读队列、打印数值

下代码是动态开辟的队列大小，所以要进行一个判断，动态空间开辟成功或者开辟失败。

/* 队列句柄, 创建队列时会设置这个变量 */
QueueHandle_t xQueue;
int main( void )
{
prvSetupHardware();
/* 创建队列: 长度为5，数据大小为4字节(存放一个整数) */
xQueue = xQueueCreate( 5, sizeof( int32_t ) );
if( xQueue != NULL )
{
/* 创建2个任务用于写队列, 传入的参数分别是100、200
* 任务函数会连续执行，向队列发送数值100、200
* 优先级为1
*/
xTaskCreate( vSenderTask, "Sender1", 1000, ( void * ) 100, 1, NULL );
xTaskCreate( vSenderTask, "Sender2", 1000, ( void * ) 200, 1, NULL );
/* 创建1个任务用于读队列
* 优先级为2, 高于上面的两个任务
* 这意味着队列一有数据就会被读走
*/
xTaskCreate( vReceiverTask, "Receiver", 1000, NULL, 2, NULL );
/* 启动调度器 */
vTaskStartScheduler();
}
else
{
/* 无法创建队列 */
}
/* 如果程序运行到了这里就表示出错了, 一般是内存不足 */
return 0;
}

?往队列中写入数值：

static void vSenderTask( void *pvParameters )
{
int32_t lValueToSend;
接收任务的函数中，读取队列、判断返回值、打印，代码如下：
BaseType_t xStatus;
/* 我们会使用这个函数创建2个任务
* 这些任务的pvParameters不一样
*/
lValueToSend = ( int32_t ) pvParameters;
/* 无限循环 */
for( ;; )
{
/* 写队列
* xQueue: 写哪个队列
* &lValueToSend: 写什么数据? 传入数据的地址, 会从这个地址把数据复制进队列
* 0: 不阻塞, 如果队列满的话, 写入失败, 立刻返回
*/
xStatus = xQueueSendToBack( xQueue, &lValueToSend, 0 );
if( xStatus != pdPASS )
{
printf( "Could not send to the queue.\r\n" );
}
}
}

接收任务的函数中，读取队列、判断返回值、打印，代码如下：

static void vReceiverTask( void *pvParameters )
{
/* 读取队列时, 用这个变量来存放数据 */
int32_t lReceivedValue;
BaseType_t xStatus;
const TickType_t xTicksToWait = pdMS_TO_TICKS( 100UL );
/* 无限循环 */
for( ;; )
{
/* 读队列
* xQueue: 读哪个队列
* &lReceivedValue: 读到的数据复制到这个地址
* xTicksToWait: 如果队列为空, 阻塞一会
*/
xStatus = xQueueReceive( xQueue, &lReceivedValue, xTicksToWait );
if( xStatus == pdPASS )
{
/* 读到了数据 */
printf( "Received = %d\r\n", lReceivedValue );
}
else
{
/* 没读到数据 */
printf( "Could not receive from the queue.\r\n" );
}
}
}

???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。

???????运行结果：

任务调度情况分析：