代码收藏家 STM32Cube高效开发：使用FreeRTOS消息队列
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在实际的项目开发中，经常会遇到在任务于任务之间或任务于中断之间需要进行“沟通交流”,即消息传递的过程。在不使用操作系统的情况下，函数与函数，或函数与中断之间的“沟通交流”一般使用一个或多多个全局变量来完成，但是在操作系统中，因为会涉及“资源管理”的问题，比方说读写冲突，因此使用全局变量在任务于任务或任务于中断之间进行消息传递，并不是很好的解决方案。队列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。
一、队列
（一）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）。任务和ISR统称为进程，任务与任务之间，或任务与ISR之间有时需要进行通讯或同步，称为进程间通信。
在创建队列时，就要指定队列长度以及队列项目的大小！
（二）FreeRTOS队列特点
1、入队阻塞：队列满了，此时无法继续写入数据
2、出队阻塞：队列为空，此时无法读出数据
3、入队阻塞解除，有多个任务等待时，哪一个会进入就绪态？
4、队列操作
队列操作的过程：包括创建队列、往队列中写入消息、从队列中读取消息等操作
（1）创建队列
创建了一个用于任务 A 与任务 B 之间“沟通交流”的队列，这个队列最大可容纳 5 个队列项目，即队列的长度为 5。刚创建的队列是不包含内容的，因此这个队列为空。
（2）写入队列
任务 A 将一个私有变量写入队列的尾部。由于在写入队列之前，队列是空的，因此新写入的消息，既是是队列的头部，也是队列的尾部。
任务 A 改变了私有变量的值，并将新值写入队列。现在队列中包含了队列 A写入的两个值，其中第一个写入的值在队列的头部，而新写入的值在队列的尾部。 这时队列还有 3 个空闲的位置。
（3）读取队列
任务 B 从队列中读取消息，任务 B 读取的消息是处于队列头部的消息，这是任务 A 第一次往队列中写入的消息。在任务 B 从队列中读取消息后，队列中任务 A 第二次写入的消息，变成了队列的头部，因此下次任务 B 再次读取消息时，将读取到这个消息。此时队列中剩余 4 个空闲的位置。
二、队列函数
使用队列的主要流程：创建队列 ->写队列 -> 读队列。
（一）队列的创建和存储
队列创建时被分配固定个数的存储单元，每个存储单元存储
固定大小的数据，进程间传递的数据就保存在队列的存储单元里
1、xQueueCreate（）创建队列
函数xQueueCreate()以动态分配内存的方式创建队列，队列需要用的存储空间由FreeRTOS从堆空间自动分配
#define xQueueCreate( uxQueueLength, uxItemSize )
xQueueGenericCreate( ( uxQueueLength ), ( uxItemSize ),
( queueQUEUE_TYPE_BASE ) )
//参数1：队列的长度
//参数2：每个存储单元的大小
//返回值：创建队列的句柄，若返回NULL表示创建失败
函数xQueueGenericCreate()是创建队列、信号量、互斥量等对象的通用函数。函数原型是：
QueueHandle_t xQueueGenericCreate( const UBaseType_t uxQueueLength,
const UBaseType_t uxItemSize,
const uint8_t ucQueueType )
//参数1：队列长度，也就是存储单元的个数
//参数2：每个存储单元的字节数
//参数3：表示创建对象的类型
//返回值：表示创建队列的句柄
ucQueueType表示创建对象的类型一般有以下几种：
通过参数3来决定是创建的类型：创建队列函数
创建队列官方代码示例：参数1是数据个数，参数2是每个数据的存储空间字节数
xQueue1 = xQueueCreate( 10, sizeof( uint32_t ) );
创建了一个具有10个存储单元的队列，每个单元占用sizeof(uint32_t)个字节，也就是4个字节。
struct AMessage
{
char ucMessageID;
char ucData[ 20 ];
};
// Create a queue capable of containing 10 pointers to AMessage structures.
// These should be passed by pointer as they contain a lot of data.
xQueue2 = xQueueCreate( 10, sizeof( struct AMessage * ) );
创建一个包含10个指向结构体AMessageID的队列，每个队列大小也就是sizeof( struct AMessage * ) 的大小
注意：
（二）向队列写入数据
一个任务或ISR向队列写入数据称为发送消息。队列是一个共享的存储区域，可以被多个进程写入，也可以被多个进程读取
1、任务中向队列中写入数据函数
可以发现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！
2、写入函数原型
BaseType_t xQueueGenericSend( QueueHandle_t xQueue,
const void * const pvItemToQueue,
TickType_t xTicksToWait,
const BaseType_t xCopyPosition )
参数1：队列句柄
参数2：待写入消息
参数3：阻塞超时时间
参数4：表示数据写入队列的位置，有3种常数定义
返回值：pdTRUE表示写入成功，反之失败
写入队列的位置：
注意：覆写方式写入队列，只有在队列的队列长度为 1 时，才能够使用
//向队列尾部写入数据
#define xQueueSend( xQueue, pvItemToQueue, xTicksToWait )
xQueueGenericSend( ( xQueue ), ( pvItemToQueue ), ( xTicksToWait ), queueSEND_TO_BACK )
//向队列尾部写入数据
#define xQueueSendToBack( xQueue, pvItemToQueue, xTicksToWait )
xQueueGenericSend( ( xQueue ), ( pvItemToQueue ), ( xTicksToWait ), queueSEND_TO_BACK )
//向队列头部写入数据
#define xQueueSendToFront( xQueue, pvItemToQueue, xTicksToWait )
xQueueGenericSend( ( xQueue ), ( pvItemToQueue ), ( xTicksToWait ), queueSEND_TO_FRONT )
函数在队列未满时能正常向队列写入数据，函数返回值为pdTRUE；
如果队列已满，这两个函数不能再向队列写入数据，函数返回值为errQUEUE_FULL；
//以覆写的形式写入数据（队列长度为1的队列）
#define xQueueOverwrite( xQueue, pvItemToQueue )
xQueueGenericSend( ( xQueue ), ( pvItemToQueue ), 0, queueOVERWRITE )
xQueueOverwrite()也可以用于向队列写入数据，但是这个函数只用于队列长度为1的队列，在队列已满时，它会覆盖队列原来的数据。
3、ISR版本
只是比任务版本函数多一个是否需要进行上下文切换的申请
例如：
//任务版本
参数1：写入的队列
参数2：要写入的数据
参数3：阻塞超时时间
#define xQueueSend( xQueue, pvItemToQueue, xTicksToWait )
xQueueGenericSend( ( xQueue ), ( pvItemToQueue ), ( xTicksToWait ), queueSEND_TO_BACK )
//ISR版本
//参数1：写入的队列
//参数2：要写入的数据
//参数3：是否进行上下文切换
#define xQueueSendFromISR( xQueue, pvItemToQueue, pxHigherPriorityTaskWoken )
xQueueGenericSendFromISR( ( xQueue ), ( pvItemToQueue ), ( pxHigherPriorityTaskWoken ), queueSEND_TO_BACK )
（三）从队列读取数据
可以在任务或ISR里读取队列的数据，称为接收消息。总是从队列头读取数据，读出后删除这个单元的数据，后面的数据前移
1、从队列头部读取消息并删除消息
如果设置了等待节拍数，但是队列中没有数据，任务会进入阻塞状态等待指定的时间。如果在等待时间内，队列里有了数据就会退出阻塞状态进入就绪状态，随后调度进入运行状态后从队列里读取数据。反之超过了等待时间队列里还是没有数据函数就是返回pdfalse,任务退出阻塞状态，进入就绪状态。
BaseType_t xQueueReceive( QueueHandle_t xQueue,
void * const pvBuffer,
TickType_t xTicksToWait )
//参数1：读取的队列句柄
//参数2：数据缓冲区（存储的位置）
//参数3：阻塞超时时间
//返回值是pdTRUE或pdFALSE
//ISR版本：
BaseType_t xQueueReceiveFromISR( QueueHandle_t xQueue,
void * const pvBuffer,
BaseType_t * const pxHigherPriorityTaskWoken )
//参数1：读取的队列句柄
//参数2：数据缓冲区（存储的位置）
//参数3：是否进行上下文切换
官方demo
// Task to receive from the queue.
void vADifferentTask( void *pvParameters )
{
struct AMessage *pxRxedMessage;
if( xQueue != 0 )
{
// Receive a message on the created queue. Block for 10 ticks if a
// message is not immediately available.
if( xQueueReceive( xQueue, &( pxRxedMessage ), ( TickType_t ) 10 ) )
{
// pcRxedMessage now points to the struct AMessage variable posted
// by vATask.
}
}
// ... Rest of task code.
}
2、从队列头部读取消息
//任务版本
BaseType_t xQueuePeek( QueueHandle_t xQueue,
void * const pvBuffer,
TickType_t xTicksToWait )
//ISR版本
BaseType_t xQueuePeekFromISR( QueueHandle_t xQueue,
void * const pvBuffer )
（四）队列操作相关函数
1、xQueueReset（）队列复位函数
将队列复位为空的状态，队列内的所有数据都被丢弃
#define xQueueReset( xQueue ) xQueueGenericReset( xQueue, pdFALSE )
2、 vQueueDelete（）删除队列函数
删除一个队列，也可以用于删除一个信号量
void vQueueDelete( QueueHandle_t xQueue )
3、pcQueueGetName()获取队列的名称
获取队列的名称，也就是创建队列时设置的队列名称字符串
#if( configQUEUE_REGISTRY_SIZE > 0 )
const char *pcQueueGetName( QueueHandle_t xQueue ) PRIVILEGED_FUNCTION; /*lint !e971 Unqualified char types are allowed for strings and single characters only. */
#endif
4、vQueueSetQueueNumber()为队列设置一个编号
为队列设置一个编号，这个编号由用户设置并使用
void vQueueSetQueueNumber( QueueHandle_t xQueue, UBaseType_t uxQueueNumber )
5、uxQueueGetQueueNumber()获取队列的编号
UBaseType_t uxQueueGetQueueNumber( QueueHandle_t xQueue )
6、uxQueueSpacesAvailable()获取队列剩余空间个数
获取队列剩余空间个数，也就是还可以写入的消息个数
UBaseType_t uxQueueSpacesAvailable( const QueueHandle_t xQueue ) PRIVILEGED_FUNCTION;
7、uxQueueMessagesWaiting()获取队列中等待读取的消息个数
UBaseType_t uxQueueMessagesWaiting( const QueueHandle_t xQueue )
8、xQueueIsQueueEmptyFromISR()查询队列是否为空
查询队列是否为空，返回值为pdTRUE表示队列为空
BaseType_t xQueueIsQueueEmptyFromISR( const QueueHandle_t xQueue )
9、xQueueIsQueueFullFromISR()查询队列是否已满
查询队列是否满了，返回值为pdTRUE表示队列满了
BaseType_t xQueueIsQueueFullFromISR( const QueueHandle_t xQueue )
三、队列使用示例
（一）使用消息队列传输字符串和按键值
1、目标
（1）创建三个任务，创建两个队列
（2）任务1：负责按键扫描，根据按下的不同按键值执行不同的写入操作
按键1按下或按键2按下将按键值拷贝到队列Queue_keys中
唤醒按键按下将提前准备好的字符串拷贝到队列Queue_string中
（3）任务2：读取队列Queue_keys中的按键值，并在LCD上显示按下的键值
（4）任务3：队列队列Queue_string中传输的字符串，并在LCD上显示传输的字符串数据
2、STM32cubemx配置
（1）复制已经配置好LCD、和按键引脚的stm32cube工程修改名字
（2）RCC部分保持原来配置
（3）SYS选择TIM6作为FreeRTOS基础时钟源
（3）GPIO引脚是配置好的LCD背光和按键引脚
（4）启动FreeRTOS并选择V2版本，创建三个任务（动态形式创建）和两个队列
创建3个任务，设置不同的任务优先级（按键检测任务优先级可以设置最大），占空间大小都设置为128字，动态形式创建3个任务。
第一个任务：实现按键检测，将按键值或字符串写入到相关的队列中
第二个任务：读取队列数据获取按键按下的值，并在lcd上显示数据
第三个任务：读取队列数据获取字符串数据，并在LCD上显示数据
队列1用于传输按键按下的值，队列长度为10，项的大小是sizeof(uint8_t)个字节。
队列2用于传输字符串数据，队列长度为10，项的大小为sizeof(char*)个字节。
（5）clock保持原来配置不变
（6）工程名和存储地址无需配置（就是刚开始打开时的工程名和地址）-无法修改
如果是新建的工程可以随意填写（不要包含中文路径和汉字）
生成代码
3、代码编写
（1）复制BSP文件夹到工程目录下，并添加相对应路径，添加头文件实现LCD的数据显示
（2）main.h中添加头文件
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "cmsis_os.h"
#include "gpio.h"
#include "fsmc.h"
#include"tftlcd.h"
#include "keyled.h"
/* USER CODE END Includes */
（3）main.c文件主函数中LCD初始化和LCD显示测试
（4）FreeRTOS.c文件添加两个头文件
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include"queue.h"
#include "stdio.h"
/* USER CODE END Includes */
（5）按键扫描任务
按键1按下写入数值1
按键2按下写入数值2
唤醒按键按下写入"abcdefgh"字符串
void AppTask_keyscan(void *argument)
{
/* USER CODE BEGIN AppTask_keyscan */
//按键扫描
KEYS key_value=KEY_NONE; //无按键按下
char *str="abcdefgh"; //要发送的字符串
// str=&buf[0];
BaseType_t result=pdFALSE; //函数返回值初始化
/* Infinite loop */
for(;;)
{
key_value=key_scan(0);//按键扫描
if(key_value==KEY_1||key_value==KEY_2)//key1或者key2按下
{
//参数1：要写入的队列句柄，参数2：是按键值，参数3是一直等待
result=xQueueSend( Queue_keysHandle, &key_value, portMAX_DELAY );
uint8_t data[20]; //缓冲数组
if(result==pdTRUE)//表明已经成功写入到队列中
{
sprintf(data,"key%d_write_ok ",key_value);
LCD_ShowString(10, 10+2*20, tftlcd_data.width, tftlcd_data.height, 12, data);
}
//格式化字符串（key1_press或key2_press格式化存储到字符数组data中）
sprintf(data,"key%d_press ",key_value);
//LCD显示哪个按键按下
LCD_ShowString(10, 10+1*20, tftlcd_data.width, tftlcd_data.height, 12, data);
}
else if(key_value==KEY_UP)//唤醒按键按下将字符串写入到Queue_stringHandle队列中
{
result=xQueueSend( Queue_stringHandle, &str , portMAX_DELAY );
LCD_ShowString(10, 10+1*20, tftlcd_data.width, tftlcd_data.height, 12, "key_up_press");
if(result==pdTRUE)
{
LCD_ShowString(10, 10+2*20, tftlcd_data.width, tftlcd_data.height, 12, "string_write_ok");
}
}
vTaskDelay(20);
}
/* USER CODE END AppTask_keyscan */
}
（6）读取按键队列，将接收到的按键值在lcd显示
void AppTask_keyshow(void *argument)
{
/* USER CODE BEGIN AppTask_keyshow */
uint8_t key;
/* Infinite loop */
for(;;)
{ //参数1是读取的队列句柄，参数2：读取到的数值存放的变量，参数3：一直等到，返回值：是否读取成功
BaseType_t result= xQueueReceive( Queue_keysHandle, &key,portMAX_DELAY );
if(result=pdTRUE)
{
uint8_t str[20];
sprintf(str,"press key is %d ",key);//显示接收到的按键值
LCD_ShowString(10, 10+4*20, tftlcd_data.width, tftlcd_data.height, 12, str);
}
}
/* USER CODE END AppTask_keyshow */
}
（7）读取字符串队列，将接收到的数据在lcd上显示
void AppTask_stringshow(void *argument)
{
/* USER CODE BEGIN AppTask_stringshow */
char* str;//存放接收的字符串数据
/* Infinite loop */
for(;;)
{
BaseType_t result= xQueueReceive( Queue_stringHandle, &str,portMAX_DELAY );
if(result=pdTRUE)
{
uint8_t data[20];
sprintf(data,"RXstr is %s ",str);
LCD_ShowString(10, 10+4*20, tftlcd_data.width, tftlcd_data.height, 12, data);
}
}
/* USER CODE END AppTask_stringshow */
}
编译下载即可
4、队列的长度和项大小的确定
例如：要传输一个字符串长度为10的数据，设置不同的队列长度和不同的项大小有啥区别，要传输的数据和队列的创建上有啥关系？
在定义队列和项的大小时，不同的配置会对数据传输和处理产生不同的影响。
综上所述，选择哪种配置取决于具体的应用需求：
（1）如果需要逐字符或逐对字符处理，第一项和第二项配置可能更合适。
（2）如果需要并行处理或传输多个部分，第三项配置可能更好。
（3）如果整个字符串作为一个单元被处理或传输，并且不需要进一步分割，那么第四项配置可能最简单。
在实际应用中，还需要考虑网络带宽、延迟、内存使用和其他系统资源来做出最佳决策。
（二）根据不同的按键值LCD上画不同方向的线
1、目标
2、代码
（1）按键扫描任务：向队列中写入数据
void AppTASK_Scankeys(void *argument)
{
/* USER CODE BEGIN AppTASK_Scankeys */
//扫描键�?�并写入到队列中
GPIO_PinState keystate=GPIO_PIN_SET;//按键是低电平有效，初始化为高电平
KEYS key=KEY_NONE;//按键值暂时初始化为按键按�?
/* Infinite loop */
for(;;)
{
key=KEY_NONE;
keystate=HAL_GPIO_ReadPin(KEY0_GPIO_Port, KEY0_Pin);
if(keystate==GPIO_PIN_RESET)//表明按键0按下
{
key=KEY_0;//赋�?�为枚举型变�?
}
keystate=HAL_GPIO_ReadPin(KEY1_GPIO_Port, KEY1_Pin);
if(keystate==GPIO_PIN_RESET)//表明按键0按下
{
key=KEY_1;//赋�?�为枚举型变�?
}
keystate=HAL_GPIO_ReadPin(KEY2_GPIO_Port, KEY2_Pin);
if(keystate==GPIO_PIN_RESET)//表明按键0按下
{
key=KEY_2;//赋�?�为枚举型变�?
}
keystate=HAL_GPIO_ReadPin(KEY_UP_GPIO_Port, KEY_UP_Pin);
if(keystate==GPIO_PIN_SET)//表明按键0按下
{
key=KEY_UP;//赋�?�为枚举型变�?
}
//如果按键按下了，则向队列中写�?
if(key!=KEY_NONE)
{
//队列句柄，放进队列的项（把key的地�?放进去）�?50ms阻塞延时
BaseType_t err= xQueueSend(Queue_keysHandle,&key,50);//返回数据类型为BaseType_t
if(err==errQUEUE_FULL)//如果队列已经满了
{
//队列复位
xQueueReset(Queue_keysHandle);
}
vTaskDelay(300);//�?300ms只允许传入一个键值（起到�?个消抖的作用�?
}
else//没有扫描到按键的情况
{
//如果不写这一条其他任务无法进行调�?
vTaskDelay(5);//5ms的延迟（进入阻塞状�?�让其他任务得到调度�?
}
osDelay(1);
}
/* USER CODE END AppTASK_Scankeys */
}
（2）画线任务：读取队列数据
四个按键分别代表上下左右方向，根据不同的按键值往不同的方向画线
void AppTASK_Draw(void *argument)
{
/* USER CODE BEGIN AppTASK_Draw */
//读取队列数据并在lcd操作
//const char *pcQueueGetName( QueueHandle_t xQueue )
//先测试获取任务名称函�?
uint8_t queueName[30];
sprintf(queueName,"queue name =%s",pcQueueGetName(Queue_keysHandle));
LCD_ShowString(10, 10+1*20,tftlcd_data.width,tftlcd_data.height, 12, queueName);
//打印队列的大�?
uint8_t queue_size[30];
sprintf(queue_size,"queue size =%d",uxQueueSpacesAvailable(Queue_keysHandle));
LCD_ShowString(10, 10+2*20,tftlcd_data.width,tftlcd_data.height, 12, queue_size);
KEYS keyvalue;
/* Infinite loop */
for(;;)
{
//等待读取的消息个�?
uint8_t tempStr[30];
sprintf(tempStr,"queue wait number:%d",uxQueueMessagesWaiting(Queue_keysHandle));
LCD_ShowString(10, 10+3*20,tftlcd_data.width,tftlcd_data.height, 12, tempStr);
//剩余的空间个�?(当前)
sprintf(tempStr,"queue size =%d",uxQueueSpacesAvailable(Queue_keysHandle));
LCD_ShowString(10, 10+4*20,tftlcd_data.width,tftlcd_data.height, 12, tempStr);
//下面获取任务高水位�?�来判断是否会发生栈空间溢出（如果某个任务高位�?�接�?0，就有栈溢出的风险，�?要增加栈空间大小�?
sprintf(tempStr,"TASK_Draw HighWaterMark =%d",uxTaskGetStackHighWaterMark( TASK_DrawHandle ));
LCD_ShowString(10, 10+5*20,tftlcd_data.width,tftlcd_data.height, 12, tempStr);
sprintf(tempStr," TASK_Scankeys HighWaterMark=%d",uxTaskGetStackHighWaterMark( TASK_ScankeysHandle ));
LCD_ShowString(10, 10+6*20,tftlcd_data.width,tftlcd_data.height, 12, tempStr);
// //读取消息队列
if(xQueueReceive(Queue_keysHandle,&keyvalue,50)!=pdTRUE)
{
continue;//继续运行，跳�?
}
if(keyvalue==KEY_0)//�?
{
curScreenX+=10;
}
else if(keyvalue==KEY_2)
{
curScreenX-=10;
}
else if(keyvalue==KEY_1)
{
curScreenY+=10;
}
else if(keyvalue==KEY_UP)
{
curScreenY-=10;
}
//如果坐标大于屏幕尺寸320*480则进行处�?
if(curScreenX>tftlcd_data.width)//限制x坐标
{
curScreenX=tftlcd_data.width;
}
if(curScreenY>tftlcd_data.height)//限制y坐标
{
curScreenY=tftlcd_data.height;
}
LCD_DrawLine(lastScreenX, lastScreenY, curScreenX, curScreenY);
// LCD_DrawLine_Color(lastScreenX, lastScreenY, curScreenX, curScreenY,RED);
//记录�?下当前的变量
lastScreenX=curScreenX;
lastScreenY=curScreenY;
vTaskDelay(400);
}
/* USER CODE END AppTASK_Draw */
}
作者：永栀哇
