示例8: 队列的基本使用

本节代码为：FreeRTOS_08_queue。

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

main函数中创建的队列、创建了发送任务、接收任务，代码如下：

/* 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;
}

发送任务的函数中，不断往队列中写入数值，代码如下：

static void vSenderTask( void *pvParameters )
{
	int32_t lValueToSend;
	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" );
		}
	}
}

程序运行结果如下：

任务调度情况如下图所示：

 示例9: 分辨数据源

本节代码为：FreeRTOS_09_queue_datasource。

当有多个发送任务，通过同一个队列发出数据，接收任务如何分辨数据来源？数据本身带有"来源"信息，比如写入队列的数据是一个结构体，结构体中的lDataSouceID用来表示数据来源：

typedef struct {
    ID_t eDataID;
    int32_t lDataValue;
}Data_t;

不同的发送任务，先构造好结构体，填入自己的eDataID，再写队列；接收任务读出数据后，根据eDataID就可以知道数据来源了，如下图所示：

  • CAN任务发送的数据：eDataID=eMotorSpeed
  • HMI任务发送的数据：eDataID=eSpeedSetPoint

FreeRTOS_09_queue_datasource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：

  • 创建的队列，用来发送结构体：数据大小是结构体的大小
  • 发送任务优先级为2，分别往队列中写入自己的结构体，结构体中会标明数据来源
  • 接收任务优先级为1，读队列、根据数据来源打印信息

main函数中创建了队列、创建了发送任务、接收任务，代码如下：

/* 定义2种数据来源(ID) */
typedef enum
{
	eMotorSpeed,
	eSpeedSetPoint
} ID_t;

/* 定义在队列中传输的数据的格式 */
typedef struct {
    ID_t eDataID;
    int32_t lDataValue;
}Data_t;

/* 定义2个结构体 */
static const Data_t xStructsToSend[ 2 ] =
{
	{ eMotorSpeed,    10 }, /* CAN任务发送的数据 */
	{ eSpeedSetPoint, 5 }   /* HMI任务发送的数据 */
};

/* vSenderTask被用来创建2个任务，用于写队列
 * vReceiverTask被用来创建1个任务，用于读队列
 */
static void vSenderTask( void *pvParameters );
static void vReceiverTask( void *pvParameters );

/*-----------------------------------------------------------*/

/* 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( Data_t ) );

	if( xQueue != NULL )
	{
		/* 创建2个任务用于写队列, 传入的参数是不同的结构体地址
		 * 任务函数会连续执行，向队列发送结构体
		 * 优先级为2
		 */
		xTaskCreate(vSenderTask, "CAN Task", 1000, (void *) &(xStructsToSend[0]), 2, NULL);
		xTaskCreate(vSenderTask, "HMI Task", 1000, (void *) &( xStructsToSend[1]), 2, NULL);

		/* 创建1个任务用于读队列
		 * 优先级为1, 低于上面的两个任务
		 * 这意味着发送任务优先写队列，队列常常是满的状态
		 */
		xTaskCreate( vReceiverTask, "Receiver", 1000, NULL, 1, 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;
}

发送任务的函数中，不断往队列中写入数值，代码如下：

static void vSenderTask( void *pvParameters )
{
	BaseType_t xStatus;
	const TickType_t xTicksToWait = pdMS_TO_TICKS( 100UL );

	/* 无限循环 */
	for( ;; )
	{
		/* 写队列
		 * xQueue: 写哪个队列
		 * pvParameters: 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
		 * xTicksToWait: 如果队列满的话, 阻塞一会
		 */
		xStatus = xQueueSendToBack( xQueue, pvParameters, xTicksToWait );

		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 */
	Data_t xReceivedStructure;
	BaseType_t xStatus;

	/* 无限循环 */
	for( ;; )
	{
		/* 读队列
		 * xQueue: 读哪个队列
		 * &xReceivedStructure: 读到的数据复制到这个地址
		 * 0: 没有数据就即刻返回，不阻塞
		 */
		xStatus = xQueueReceive( xQueue, &xReceivedStructure, 0 );

		if( xStatus == pdPASS )
		{
			/* 读到了数据 */
			if( xReceivedStructure.eDataID == eMotorSpeed )
			{
				printf( "From CAN, MotorSpeed = %d\r\n", xReceivedStructure.lDataValue );
			}
			else if( xReceivedStructure.eDataID == eSpeedSetPoint )
			{
				printf( "From HMI, SpeedSetPoint = %d\r\n", xReceivedStructure.lDataValue );
			}
		}
		else
		{
			/* 没读到数据 */
			printf( "Could not receive from the queue.\r\n" );
		}
	}
}

运行结果如下：

任务调度情况如下图所示：

  • t1：HMI是最后创建的最高优先级任务，它先执行，一下子向队列写入5个数据，把队列都写满了
  • t2：队列已经满了，HMI任务再发起第6次写操作时，进入阻塞状态。这时CAN任务是最高优先级的就绪态任务，它开始执行
  • t3：CAN任务发现队列已经满了，进入阻塞状态；接收任务变为最高优先级的就绪态任务，它开始运行
  • t4：现在，HMI任务、CAN任务的优先级都比接收任务高，它们都在等待队列有空闲的空间；一旦接收任务读出1个数据，会马上被抢占。被谁抢占？谁等待最久？HMI任务！所以在t4时刻，切换到HMI任务。
  • t5：HMI任务向队列写入第6个数据，然后再次阻塞，这是CAN任务已经阻塞很久了。接收任务变为最高优先级的就绪态任务，开始执行。
  • t6：现在，HMI任务、CAN任务的优先级都比接收任务高，它们都在等待队列有空闲的空间；一旦接收任务读出1个数据，会马上被抢占。被谁抢占？谁等待最久？CAN任务！所以在t6时刻，切换到CAN任务。
  • t7：CAN任务向队列写入数据，因为仅仅有一个空间供写入，所以它马上再次进入阻塞状态。这时HMI任务、CAN任务都在等待空闲空间，只有接收任务可以继续执行。

示例10: 传输大块数据

本节代码为：FreeRTOS_10_queue_bigtransfer。

FreeRTOS的队列使用拷贝传输，也就是要传输uint32_t时，把4字节的数据拷贝进队列；要传输一个8字节的结构体时，把8字节的数据拷贝进队列。

如果要传输1000字节的结构体呢？写队列时拷贝1000字节，读队列时再拷贝1000字节？不建议这么做，影响效率！

这时候，我们要传输的是这个巨大结构体的地址：把它的地址写入队列，对方从队列得到这个地址，使用地址去访问那1000字节的数据。

使用地址来间接传输数据时，这些数据放在RAM里，对于这块RAM，要保证这几点：

  • RAM的所有者、操作者，必须清晰明了 这块内存，就被称为"共享内存"。要确保不能同时修改RAM。比如，在写队列之前只有由发送者修改这块RAM，在读队列之后只能由接收者访问这块RAM。
  • RAM要保持可用 这块RAM应该是全局变量，或者是动态分配的内存。对于动然分配的内存，要确保它不能提前释放：要等到接收者用完后再释放。另外，不能是局部变量。

FreeRTOS_10_queue_bigtransfer程序会创建一个队列，然后创建1个发送任务、1个接收任务：

  • 创建的队列：长度为1，用来传输"char *"指针
  • 发送任务优先级为1，在字符数组中写好数据后，把它的地址写入队列
  • 接收任务优先级为2，读队列得到"char *"值，把它打印出来

这个程序故意设置接收任务的优先级更高，在它访问数组的过程中，发送任务无法执行、无法写这个数组。

main函数中创建了队列、创建了发送任务、接收任务，代码如下：

/* 定义一个字符数组 */
static char pcBuffer[100];


/* vSenderTask被用来创建2个任务，用于写队列
 * vReceiverTask被用来创建1个任务，用于读队列
 */
static void vSenderTask( void *pvParameters );
static void vReceiverTask( void *pvParameters );

/*-----------------------------------------------------------*/

/* 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1，数据大小为4字节(存放一个char指针) */
    xQueue = xQueueCreate( 1, sizeof(char *) );

	if( xQueue != NULL )
	{
		/* 创建1个任务用于写队列
		 * 任务函数会连续执行，构造buffer数据，把buffer地址写入队列
		 * 优先级为1
		 */
		xTaskCreate( vSenderTask, "Sender", 1000, NULL, 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
		 * 这意味着读队列得到buffer地址后，本任务使用buffer时不会被打断
		 */
		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;
}

发送任务的函数中，现在全局大数组pcBuffer中构造数据，然后把它的地址写入队列，代码如下：

static void vSenderTask( void *pvParameters )
{
	BaseType_t xStatus;
	static int cnt = 0;
	
	char *buffer;

	/* 无限循环 */
	for( ;; )
	{
		sprintf(pcBuffer, "www.100ask.net Msg %d\r\n", cnt++);
		buffer = pcBuffer; // buffer变量等于数组的地址, 下面要把这个地址写入队列
		
		/* 写队列
		 * xQueue: 写哪个队列
		 * pvParameters: 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: 如果队列满的话, 即刻返回
		 */
		xStatus = xQueueSendToBack( xQueue, &buffer, 0 ); /* 只需要写入4字节, 无需写入整个buffer */

		if( xStatus != pdPASS )
		{
			printf( "Could not send to the queue.\r\n" );
		}
	}
}

接收任务的函数中，读取队列、得到buffer的地址、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 */
	char *buffer;
	const TickType_t xTicksToWait = pdMS_TO_TICKS( 100UL );	
	BaseType_t xStatus;

	/* 无限循环 */
	for( ;; )
	{
		/* 读队列
		 * xQueue: 读哪个队列
		 * &xReceivedStructure: 读到的数据复制到这个地址
		 * xTicksToWait: 没有数据就阻塞一会
		 */
		xStatus = xQueueReceive( xQueue, &buffer, xTicksToWait); /* 得到buffer地址，只是4字节 */

		if( xStatus == pdPASS )
		{
			/* 读到了数据 */
			printf("Get: %s", buffer);
		}
		else
		{
			/* 没读到数据 */
			printf( "Could not receive from the queue.\r\n" );
		}
	}
}

运行结果如下图所示：

示例11: 邮箱(Mailbox)

本节代码为：FreeRTOS_11_queue_mailbox。

FreeRTOS的邮箱概念跟别的RTOS不一样，这里的邮箱称为"橱窗"也许更恰当：

  • 它是一个队列，队列长度只有1
  • 写邮箱：新数据覆盖旧数据，在任务中使用xQueueOverwrite()，在中断中使用xQueueOverwriteFromISR()。 既然是覆盖，那么无论邮箱中是否有数据，这些函数总能成功写入数据。
  • 读邮箱：读数据时，数据不会被移除；在任务中使用xQueuePeek()，在中断中使用xQueuePeekFromISR()。 这意味着，第一次调用时会因为无数据而阻塞，一旦曾经写入数据，以后读邮箱时总能成功。

main函数中创建了队列(队列长度为1)、创建了发送任务、接收任务：

  • 发送任务的优先级为2，它先执行
  • 接收任务的优先级为1

代码如下：

/* 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1，数据大小为4字节(存放一个char指针) */
    xQueue = xQueueCreate( 1, sizeof(uint32_t) );

	if( xQueue != NULL )
	{
		/* 创建1个任务用于写队列
		 * 任务函数会连续执行，构造buffer数据，把buffer地址写入队列
		 * 优先级为2
		 */
		xTaskCreate( vSenderTask, "Sender", 1000, NULL, 2, NULL );

		/* 创建1个任务用于读队列
		 * 优先级为1
		 */
		xTaskCreate( vReceiverTask, "Receiver", 1000, NULL, 1, 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;
}

发送任务、接收任务的代码和执行流程如下：

  • A：发送任务先执行，马上阻塞
  • BC：接收任务执行，这是邮箱无数据，打印"Could not ..."。在发送任务阻塞过程中，接收任务多次执行、多次打印。
  • D：发送任务从阻塞状态退出，立刻执行、写队列
  • E：发送任务再次阻塞
  • FG、HI、……：接收任务不断"偷看"邮箱，得到同一个数据，打印出多个"Get: 0"
  • J：发送任务从阻塞状态退出，立刻执行、覆盖队列，写入1
  • K：发送任务再次阻塞
  • LM、……：接收任务不断"偷看"邮箱，得到同一个数据，打印出多个"Get: 1"

运行结果如下图所示：

# 嵌入式硬件 # stm32
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