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STM32 FreeRTOS队列

介绍​

在嵌入式系统中，任务之间的通信是一个非常重要的概念。FreeRTOS 提供了一种称为队列的机制，用于在任务之间传递数据。队列是一种先进先出（FIFO）的数据结构，允许多个任务安全地发送和接收数据。

在STM32微控制器上使用FreeRTOS时，队列是实现任务间通信的常用工具。通过队列，任务可以发送消息、数据或其他信息给其他任务，而无需直接访问共享资源，从而避免了潜在的竞争条件。

队列的基本概念​

什么是队列？​

队列是一种数据结构，允许数据按照先进先出的顺序进行存储和检索。在FreeRTOS中，队列可以用于任务之间传递数据，也可以用于任务与中断服务例程（ISR）之间的通信。

队列的特点​

  • 线程安全：FreeRTOS队列是线程安全的，多个任务可以同时访问队列而不会导致数据损坏。
  • 阻塞和非阻塞操作：任务可以在发送或接收数据时选择阻塞或非阻塞模式。阻塞模式下，任务会等待直到队列有空间或数据可用；非阻塞模式下，任务会立即返回。
  • 动态或静态创建：队列可以在运行时动态创建，也可以在编译时静态分配。

创建和使用队列​

创建队列​

在FreeRTOS中，队列通过 xQueueCreate() 函数创建。该函数需要两个参数：队列的长度和每个队列项的大小。

c
QueueHandle_t xQueueCreate( UBaseType_t uxQueueLength, UBaseType_t uxItemSize );
  • uxQueueLength：队列的长度，即队列中可以存储的最大项数。
  • uxItemSize：每个队列项的大小，以字节为单位。

例如，创建一个可以存储10个整数的队列：

c
QueueHandle_t xQueue = xQueueCreate(10, sizeof(int));

发送数据到队列​

使用 xQueueSend() 函数将数据发送到队列。该函数有三个参数：队列句柄、要发送的数据的指针以及等待时间。

c
BaseType_t xQueueSend( QueueHandle_t xQueue, const void * pvItemToQueue, TickType_t xTicksToWait );
  • xQueue：队列句柄。
  • pvItemToQueue：指向要发送的数据的指针。
  • xTicksToWait：如果队列已满，任务等待的最长时间。设置为 portMAX_DELAY 表示无限等待。

例如，发送一个整数到队列：

c
int data = 42;
xQueueSend(xQueue, &data, portMAX_DELAY);

从队列接收数据​

使用 xQueueReceive() 函数从队列中接收数据。该函数也有三个参数：队列句柄、存储接收数据的指针以及等待时间。

c
BaseType_t xQueueReceive( QueueHandle_t xQueue, void * pvBuffer, TickType_t xTicksToWait );
  • xQueue：队列句柄。
  • pvBuffer：指向存储接收数据的缓冲区的指针。
  • xTicksToWait：如果队列为空，任务等待的最长时间。设置为 portMAX_DELAY 表示无限等待。

例如，从队列中接收一个整数：

c
int receivedData;
xQueueReceive(xQueue, &receivedData, portMAX_DELAY);

实际应用场景​

任务间通信​

假设我们有两个任务：一个任务负责采集传感器数据，另一个任务负责处理这些数据。我们可以使用队列将传感器数据从采集任务传递到处理任务。

c
// 采集任务
void vSensorTask(void *pvParameters) {
    int sensorData;
    while (1) {
        // 采集传感器数据
        sensorData = readSensor();
        // 发送数据到队列
        xQueueSend(xQueue, &sensorData, portMAX_DELAY);
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(100)); // 每100ms采集一次
    }
}

// 处理任务
void vProcessTask(void *pvParameters) {
    int receivedData;
    while (1) {
        // 从队列接收数据
        if (xQueueReceive(xQueue, &receivedData, portMAX_DELAY) == pdPASS) {
            // 处理接收到的数据
            processData(receivedData);
        }
    }
}

中断服务例程（ISR）与任务通信​

队列也可以用于中断服务例程（ISR）与任务之间的通信。在ISR中，可以使用 xQueueSendFromISR() 函数将数据发送到队列。

c
void vISR(void) {
    int data = 123;
    BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;
    xQueueSendFromISR(xQueue, &data, &xHigherPriorityTaskWoken);
    portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken);
}

总结​

FreeRTOS队列是任务间通信的强大工具，特别适用于STM32等嵌入式系统。通过队列，任务可以安全地传递数据，而无需担心竞争条件。本文介绍了如何创建队列、发送和接收数据，并展示了队列在实际应用中的使用场景。

附加资源与练习​

  • 练习1：创建一个包含两个任务的FreeRTOS项目，一个任务生成随机数并发送到队列，另一个任务从队列接收数据并打印出来。
  • 练习2：修改练习1，使生成随机数的任务在队列满时进入阻塞状态，观察任务的行为。
提示

FreeRTOS提供了丰富的API来处理队列，建议查阅FreeRTOS官方文档以了解更多高级功能。