【FreeRTOS】详细讲解FreeRTOS中消息队列并通过示例讲述其用法

讲解FreeRTOS中消息队列及其用法

• 使用消息队列的原因
• 消息队列
• 函数解析
• 示例
• 遇到的问题

使用消息队列的原因

  在裸机系统中，两个程序间需要共享某个资源通常使用全局变量来实现；但在含操作系统(下文就拿FreeRTOS举例)的开发中，则使用消息队列完成。那么这两者有啥区别呢？
  其实在FreeRTOS系统中也能够像裸机似的，使用全局变量实现多程序共享某个资源（这里资源就可称为临界资源），则多个程序都能随时访问同一个临界资源，这时若两个程序同时访问同一个临界资源来完成两次资源读写操作，假如两个程序读取操作是同时完成，但是写入操作有先后之别，那么最后实际完成的操作就会是一个。例如下图：

  看完上图后，大家可能会想：两者结果相同，无所谓了。但是呢，如果此时再来个C程序恰好读取到的值为456，那么是不是跟最终结果789存在偏差呢！！！

  因此，在FreeRTOS系统中，引入了消息队列来实现某个资源共享，其不仅仅实现临界资源共享，也给临界资源提供保护，使得程序更加稳定。

消息队列

  消息队列，是一种用于任务与任务间、中断和任务间传递一条或多条信息的数据结构，实现了任务接收来自其他任务或中断的不固定或固定长度的消息。
  任务从队列里面读取消息时，如果队列中消息为空，读取消息的任务将被阻塞；否则任务就读取消息并且处理。用户还可以指定阻塞任务时间 xTicksToWait()，在指定阻塞时间内，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。
  有多个消息发送到消息队列时，通常将先进入队列的消息先传给任务，也就是说，任务一般读取到的消息是最先进入消息队列的消息，即先进先出原则（FIFO），但也支持后进先出原则（LIFO）。
  FreeRTOS 中使用队列数据结构实现任务异步通信工作，其具有如下特性：

• 消息支持先进先出的方式排队，支持异步读写的工作方式；
• 读写队列均支持超时机制；
• 消息支持后进先出方式排队，即直接往队首发送消息（LIFO）；
• 允许不同长度（不超过队列节点最大值）的任意类型消息；
• 一个任务能够与任意一个消息队列接收和发送消息的操作；
• 多个任务能够与同一个消息队列接收和发送消息的操作；
• 当队列使用结束后，可以通过删除队列函数进行删除函数；

消息队列收发双方处理机制

• 创建消息队列，FreeRTOS系统会分配一块单个消息大小与消息队列长度乘积的空间；(创建成功后，每个消息的大小及消息队列长度无法更改，不能写入大于单个消息大小的数据，并且只有删除消息队列时，才能释放队列占用的内存。)

• 写入消息队列，当消息队列未满或允许覆盖入队时，FreeRTOS系统会直接将消息复制到队列末端；否则，程序会根据指定的阻塞时间进入阻塞状态，直到消息队列未满或者是阻塞时间超时，程序就会进入就绪状态；
  写入紧急消息，本质上与普通消息差不多，不同的是其将消息直接复制到消息队列队首；

• 读取消息队列，在指定阻塞时间内，未读取到消息队列中的数据（消息队列为空），程序进入阻塞状态，等待消息队列中有数据；一旦阻塞时间超时，程序进入就绪态；

• 一旦消息队列不再使用时，应该将其删除；（此时会永久删除）

消息队列的处理机制图 （图有点丑，大家伙将就一下吧）

函数解析

消息队列通用创建
函数原型

QueueHandle_t xQueueGenericCreate(const UBaseType_t uxQueueLength, const UBaseType_t uxItemSize, const uint8_t ucQueueType);

参数解析

• const UBaseType_t uxQueueLength：设置消息队列长度；
• const UBaseType_t uxItemSize：设置消息队列中单个消息大小；
• const uint8_t ucQueueType：设置消息队列的类型；

函数说明
  一个通用的消息队列创建函数，该函数自己给其他函数提供API，自己也调用函数prvInitialiseNewQueue()完成消息队列创建功能。

消息队列动态创建
函数原型

QueueHandle_t xQueueCreate(UBaseType_t uxQueueLength,UBaseType_t uxItemSize );

参数解析

• UBaseType_t uxQueueLength：设置消息队列长度；
• UBaseType_t uxItemSize：设置消息队列中单个消息的大小；

函数说明
  创建函数，实际上使用还是调用函数 xQueueGenericCreate()完成消息队列创建工作。
  当消息队列创建成功时，返回一个消息队列的控制句柄，用于访问创建的队列；否则，返回NULL，可能原因是创建队列需要的 RAM 无法分配成功。

消息队列静态创建
函数原型

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

参数解析

• UBaseType_t uxQueueLength：设置消息队列长度；
• UBaseType_t uxItemSize：设置消息队列中单个消息大小；
• uint8_t *pucQueueStorage：传递消息队列中单个消息的存储结构；
• StaticQueue_t *pxQueueBuffer：传递自定义的消息队列；

函数说明

  xQueueCreateStatic()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。
  当返回值为NULL时，创建失败，失败原因与动态创建类似，即可能是创建队列需要的 RAM 无法分配成功。

消息队列删除
函数原型

void vQueueDelete( QueueHandle_t xQueue );

参数解析

• QueueHandle_t xQueue:消息队列的控制句柄；

函数说明
  使用函数vQueueDelete()可以将一个消息队列中的所有信息都清空回收，并且该队列将无法继续使用。值得注意的是，一个没有创建的消息队列，是无法删除的。

发送消息到消息队列
函数原型

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

参数解析

• QueueHandle_t xQueue：传入消息队列的控制句柄；
• const void * pvItemToQueue：传入需要发送到消息队列中的数据；
• TickType_t xTicksToWait：设置阻塞超时时间，设置成0,可直接返回;

函数说明
  发送函数实际上调用PAI函数xQueueGenericSend()；该函数也等同于函数xQueueSendToBack()。
  发送消息函数xQueueSend()，其处理机制为：当消息队列未满或允许覆盖入队时，FreeRTOS系统会直接将消息复制到队列末端；否则，程序会根据指定的阻塞时间进入阻塞状态，直到消息队列未满或者是阻塞时间超时，程序就会进入就绪状态。

中断中发送消息到消息队列
函数原型

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

参数解析

• QueueHandle_t xQueue：传递消息队列的控制权柄；
• const void *pvItemToQueue：传递需要发送的消息；
• BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken：若消息入队列时产生一个更高优先级的任务，那么改参数就会被设置成pdTRUE，系统在中断函数结束前会切换任务，去执行更高优先级的任务。在FReeRTOS V7.3.0起，该函数为一个可选参数。

函数说明
  该函数实际上调用FreeRTOS系统APIxQueueGenericSendFromISR()来完成在中断中发送消息。该函数功能上与xQueueSendToBackFromISR()相同，并且两者参数完全一致。

发送消息到消息队列队首
函数原型

BaseType_t xQueueSendToToFront( QueueHandle_txQueue, const void *pvItemToQueue, TickType_t xTicksToWait);

参数解析

• QueueHandle_t xQueue：消息队列的控制句柄；
• const void *pvItemToQueue：需要发送的消息；
• TickType_t xTicksToWait：函数阻塞超时时间；

函数说明
  该函数实际上还是调用函数xQueueGenericSend()来完成其功能的。
  xQueueSendToToFront()向队列队首发送一个消息；发送消息成功返回pdTRUE，否则返回 errQUEUE_FULL。

中断中发送消息到消息队列队首
函数原型

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

参数解析

• QueueHandle_t xQueue：消息队列的控制句柄；
• const void *pvItemToQueue：需要发送的消息；
• BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken：与xQueueSendFromISR中的该参数类似，都是与队列插入数据时产生的更高优先级任务有关；

函数说明

消息队列接收函数
函数原型

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

参数解析

• QueueHandle_t xQueue：消息队列的控制权柄；
• void * const pvBuffer：指向存储消息队列数据的存储空间；
• TickType_t xTicksToWait：消息队列接收函数的最大阻塞时间。若该函数设置为0，则函数立刻返回；

函数说明
  一旦消息队列接收成功后会返回pdTRUE;否则,返回pdFALSE。接收消息队列后会删除该消息，倘若不想删除该信息，可使用函数xQueuePeek()。

在中断中接收消息队列中消息
函数原型

BaseType_t xQueueReceiveFromISR( QueueHandle_t xQueue,void * const pvBuffer,BaseType_t * const pxHigherPriorityTaskWoken);

参数解析

• QueueHandle_t xQueue：消息队列的控制权柄；
• void * const pvBuffer：需要发送的消息
• BaseType_t * const pxHigherPriorityTaskWoken：任务在往队列发送信息时，如果队列满，则任务将阻塞在该队列上，若xQueueReceiveFromISR()函数碰都一个任务，则*pxHigherPriorityTaskWoken=pdTRUE；否则，其值为NULL。

函数说明
  函数xQueueReceiveFromISR()是函数xQueueReceive的中断版本，功能上一样，即接收函数后，也会将该消息删除，若不想删除可使用函数 xQueuePeekFromISR。同样，函数 xQueuePeekFromISR()是函数xQueuePeek()的中断版，功能上也是一样的。

示例

示例1
  先创建两个任务，再通过消息队列实现任务间一对一通信，来完成任务2控制任务1实现依次反转LED1-LED8的状态。此时消息队列传递的是一个整型数据。

//任务控制权柄TaskHandle_t xHandleTsak[4];//消息队列控制权柄QueueHandle_t xMyQueueHandle;int main(void){//存储创建任务的返回值BaseType_t xReturn[5] ;xMyQueueHandle = xQueueCreate(20,sizeof(uint16_t));if(xMyQueueHandle == 0)//点亮LED7changeLedStateByLocation(LED7,ON);//动态创建任务1xReturn[0] = xTaskCreate((TaskFunction_t )queueMesageTask1,(const char *)"queueMesageTask1",(uint16_t)512,(void*)NULL,2,&xHandleTsak[0]);//动态创建任务2xReturn[1] = xTaskCreate((TaskFunction_t )queueMesageTask2,(const char *)"queueMesageTask2",(uint16_t)512,(void*)NULL,1,&xHandleTsak[1]);//创建成功 if (pdPASS == xReturn[0] == xReturn[1])//启动任务，开启调度 vTaskStartScheduler(); //创建失败else//点亮LED6changeLedStateByLocation(LED6,ON);}/********************************************* 函数功能：消息队列测试函数1* 函数参数：无* 函数返回值：无********************************************/void queueMesageTask1(void){// 定义一个接收消息的变量uint16_t r_queue;while(1){ if( pdTRUE == xQueueReceive( xMyQueueHandle,&r_queue,portMAX_DELAY) )rollbackLedByLocation(r_queue);}}/********************************************* 函数功能：消息队列测试函数2* 函数参数：无* 函数返回值：无********************************************/void queueMesageTask2(void){uint16_t data[] = {LED1,LED2,LED3,LED4,LED5,LED6,LED7,LED8};//保存需要发送的数据static uint16_t i = 0;//保存系统时间static portTickType myPreviousWakeTime;//保存阻塞时间const volatile TickType_t xDelay1500ms = pdMS_TO_TICKS( 1500UL );//获取当前时间myPreviousWakeTime = xTaskGetTickCount();while(1){xQueueSend( xMyQueueHandle,&data[i],0 );if(++i == 8) i = 0;//非阻塞延时1.5sxTaskDelayUntil( &myPreviousWakeTime,xDelay1500ms );}}

示例2
  使用xTaskCreate()函数创建三个任务，其中有两个发送消息任务，一个接收消息任务，以完成一个多对一消息队列的实验。
  在创建任务时，为了使得代码更加舒服，采用带参数创建FreeRTOS任务的方法，即先将函数需要用到的参数使用结构体保存，然后再通过xTaskCreate()函数的第四个参数传递给相应任务。
  相对于示例1，示例2对任务间传递的消息也进行了优化，使其传递的数据由一个整型变量改成一个结构体；改变后，即有利于消息数据的扩展，同时，也方便多个多种类型消息同时传递。

// 消息队列传输的数据类型struct messageQueue{int id;char msg[100];};//创建任务时传递参数结构体struct taskParameters{// 任务IDint id;// 绝对延时延时时间uint16_t delayTime;// LED灯位置uint16_t LEDLOCATION;// LCD显示行u8 lcdLine;// 整型参数，用于变量倍增int number;};void queueMesageTask1(void);void queueMesageTask2(struct taskParameters* params);//任务控制权柄TaskHandle_t xHandleTsak[4];//消息队列控制权柄QueueHandle_t xMyQueueHandle;// 任务参数 struct taskParameters param[2] = {{0,1500,LED1,Line6,1},{1,1000,LED2,Line7,2}};//任务名字char*taskName[] = {"task1","task2"};/****************************************** 函数功能：freertos工作函数* 函数参数：无* 函数返回值：无*****************************************/void freertosWork(void){//创建两个任务 用于测试消息队列unsignedint i = 0;//存储创建任务的返回值BaseType_t xReturn[5] ;// 创建消息队列xMyQueueHandle = xQueueCreate(20,sizeof(struct messageQueue));if(xMyQueueHandle == 0)//点亮LED7changeLedStateByLocation(LED7,ON);//动态创建任务for(i=0;i<2;i++)xReturn[i] = xTaskCreate((TaskFunction_t )queueMesageTask2,(const char *)taskName[i],(uint16_t)128,(struct taskParameters*) &param[i],1,&xHandleTsak[i]);//动态创建任务1xReturn[3] = xTaskCreate((TaskFunction_t )queueMesageTask1,(const char *)"queueMesageTask3",(uint16_t)128,(void*)NULL,1,&xHandleTsak[3]);LCD_DisplayStringLine(Line0,(uint8_t*)"receve:");LCD_DisplayStringLine(Line5,(uint8_t*)"send:");if (pdPASS == xReturn[0] == xReturn[1] == xReturn[2])//点亮LED6changeLedStateByLocation(LED6,ON);elsevTaskStartScheduler();}/********************************************* 函数功能：消息队列测试函数1* 函数参数：无* 函数返回值：无********************************************/void queueMesageTask1(void){// 定义一个接收消息的变量struct messageQueue r_queue;char temp[100];int j1=1;while(1){//接收数据如果数据接收成功就处理 否则就点亮LED4if( pdTRUE == xQueueReceive( xMyQueueHandle,&r_queue,portMAX_DELAY) ){sprintf(temp,"(%s;%s;%d;)",pcTaskGetName(xHandleTsak[r_queue.id]),r_queue.msg,r_queue.id);//任务2发送的数据if(r_queue.id == 0)LCD_DisplayStringLine(Line1,(uint8_t*)temp);//任务3发送的数据elseLCD_DisplayStringLine(Line2,(uint8_t*)temp);//每次接收数据后闪烁一次LED3changeAllLedByStateNumber(OFF);changeLedStateByLocation(LED3,j1++%2);}//数据接收失败 点亮LED4else{changeAllLedByStateNumber(OFF);changeLedStateByLocation(LED4,ON);}}}/********************************************* 函数功能：消息队列测试函数2* 函数参数：无* 函数返回值：无********************************************/void queueMesageTask2(struct taskParameters* params){//初始化以及保存需要发送的数据struct messageQueue _sData;struct messageQueue*sData = &_sData;sData->id = params->id;//显示需要发送的数据char temp[50];uint16_t count = 0;//保存系统时间portTickType myPreviousWakeTime;//保存阻塞时间TickType_t xDelayms = pdMS_TO_TICKS( params->delayTime );//获取当前时间myPreviousWakeTime = xTaskGetTickCount();while(1){// 改变本次发送的数据sprintf(sData->msg,"%s%d","Sender2:",count+=params->number);sprintf(temp,"(%s;%d)",sData->msg,sData->id);LCD_DisplayStringLine(params->lcdLine,(uint8_t*)temp);//关闭所有LED灯 避免LCD带来的影响changeAllLedByStateNumber(0);//发送数据 如果发送成功就点亮一次LED1if( xQueueSend( xMyQueueHandle,&_sData,0 ) == pdTRUE)changeLedStateByLocation(params->LEDLOCATION,ON);//非阻塞延时(ms)xTaskDelayUntil( &myPreviousWakeTime,xDelayms );}}

结果

遇到的问题

keil报错展示

报错分析
  该报错是由于结构体初始化时引起的，keil中不支持不完整定义的变量；但是可以看看小编目前使用的变量struct taskParameters param[2] = {{0,1500,LED1,Line6,1},{1,1000,LED2,Line7,2}};其一样可以啊！因此到底什么原因小编暂时也不得而知了。

小编的解决方案
  不知道小编这样子到底算不算解决了该问题：
  首先，小编整理了代码，将一些不必要的变量全部都删除，并且优化了代码架构，最后这个程序莫名其妙就可以使用了，没有丝毫报错与警告。

  还有个问题是关于变量struct taskParameters param[2] = {{0,1500,LED1,Line6,1},{1,1000,LED2,Line7,2}};的，该变量最高定义为全局变量，否则程序就会跑飞；如果实在要将其定义为局部变量也行，但是需要换一种结构体初始化的方式。

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