嵌入式学习 队列

队列 (Queue)​​是最核心的、最常用的任务间通信（IPC）机制之一。它提供了任务之间、任务和中断服务程序（ISR）之间安全传递数据的通道。

1. 队列的本质与特点

        数据结构：本质是一个先进先出（FIFO）的缓刑缓冲区。数据项按写入的顺序存储，按写入的顺序读出。

        数据传递：通过拷贝实现数据传递。发送方将数据复制到队列的存储区，接收方从队列的 存储区复制数据到自己的内存空间。这意味着：

        （1）发送方和接收方不想需要共享内存地址（增强了隔离性）

        （2）传递的是数据的副本，原始数据在发送后可以进行安全修改。

        （3）适用于传递小型、固定大小的数据项（结构体、基本类型、小数组）。传递大型数据（如图像）应使用指针（需小心挂你内存生命周期）。

        线程安全：FREERTOS中的队列是线程安全的。多个任务或ISR可以安全的同时访问同一个队列（通过接收或发送的API），内核内部会处理同步和互斥的问题。

        阻塞机制：队列操作（发送和接收）支持阻塞。当任务尝试从空队列中读取到数据时，它可以阻塞等待直到有数据可用；当任务向满队列写入数据时，他可以阻塞等待直到队列有空间。阻塞时间可以指定（portTICK_PERIOD_MS或 pdMS_TO_TICKS转换）。

        多任务访问：可以被任意数量的任务或ISR访问。

        长度与项大小：在创建队列时指定：

        uxQueueLength：队列能容纳的最大数据项数量。

  uxItemSize：每个数据项的大小（字节数）

2. 队列的核心操作 API (任务上下文)

 创建队列：

        QueueHandle_t xQueueCreate( UBaseType_t uxQueueLength, UBaseType_t uxItemSize );

        参数：

         uxQueueLength：队列能容纳的最大数据项数量。

   uxItemSize：每个数据项的大小（字节数）

        返回值：成功返回句柄，失败返回NULL

发送数据到队尾（入队-Enqueue）:

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

参数：

xQueue(输入参数)​​

• ​类型：​​ QueueHandle

​pvItemToQueue(输入参数)​​

• ​类型：​​ const void *(指向常量 void 的指针)

• ​含义：​​ 指向要发送到队列的数据项的指针。

​xTicksToWait(输入参数)​​

• ​类型：​​ TickType_t

• ​含义：​​ 任务在队列满时，愿意等待队列腾出空间的最大时间（以系统节拍 ticks 为单位）。

• ​作用：​​ 控制当队列满时，调用任务的阻塞行为。

• 0：立即返回 errQUEUE_FULL。

• portMAX_DELAY：无限期阻塞（需 configUSE_MUTEXES配置）。

• N：阻塞最多 N 个系统节拍 (ticks)。

发送数据到队头（插队）：

BaseType_t xQueueSendToFront( QueueHandle_t xQueue, const void * pvItemToQueue, TickType_t xTicksToWait );
//新数据项成为队列头，下次接收操作将首先得到它。其他行为同 xQueueSendToBack

从队列接收数据（出队 -Dequeue）:

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

• 如果队列非空，立即接收成功 (pdPASS)。

• 从队头移除一个数据项 并复制到pvBuffer

• 如果队列空，根据 xTicksToWait阻塞：

  • 0：立即返回 errQUEUE_EMPTY。

  • portMAX_DELAY：无限期阻塞。

  • N：阻塞最多 N 个系统节拍。

窥视数据（Peek）：

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

从队列头部复制一个数据项到 pvBuffer，但不移除该数据项。队列内容不变。阻塞行为同 xQueueReceive。

覆盖写入 (用于长度=1的队列)：​

BaseType_t xQueueOverwrite( QueueHandle_t xQueue, const void * pvItemToQueue );

• 专为单数据项队列 (uxQueueLength = 1)​​ 设计。

• 无论队列空或满，​总是写入成功 (pdPASS)。

• 如果队列满，会覆盖已有的数据项（即唯一的数据项）。

• 保证队列中始终是最新的数据。

• ​无阻塞​（总是立即成功）。

​删除队列：

void vQueueDelete( QueueHandle_t xQueue );

释放队列占用的内存。删除后不能再使用该队列句柄。

3.中断安全API（ISR上下文）

在中断服务程序 (ISR) 中操作队列必须使用以 FromISR结尾的 API。这些 API：

• 不会阻塞（ISR 中不允许阻塞）。

• 使用更轻量级的同步机制（如暂时屏蔽中断）。

• 需要一个额外的 pxHigherPriorityTaskWoken参数。

BaseType_t xQueueSendFromISR( QueueHandle_t xQueue, const void * pvItemToQueue, BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken );
//向队列尾部发送数据

BaseType_t xQueueSendToBackFromISR( QueueHandle_t xQueue, const void * pvItemToQueue, BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken );
//向队列尾部发送数据

BaseType_t xQueueSendToFrontFromISR( QueueHandle_t xQueue, const void * pvItemToQueue, BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken );
//向队列头部发送数据

BaseType_t xQueueReceiveFromISR( QueueHandle_t xQueue, void * pvBuffer, BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken );
//从队列接收并移除数据

BaseType_t xQueuePeekFromISR( QueueHandle_t xQueue, void * pvBuffer ); 
// 注意：PeekFromISR 没有 pxHigherPriorityTaskWoken 参数！ 因为只查看不做任何处理。
//查看队列头部数据（不移除）

BaseType_t xQueueOverwriteFromISR( QueueHandle_t xQueue, const void * pvItemToQueue, BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken );
//强制覆盖写入队列（即使队列满） 仅用于长度为1的队列

​pxHigherPriorityTaskWoken参数：​​

• 这是一个指向 BaseType_t变量的指针（通常初始化为 pdFALSE）。

• 如果队列操作（发送或接收）导致一个等待该队列的任务解除阻塞，并且这个被解除阻塞的任务的优先级高于当前被中断的任务，那么该 API 会将 *pxHigherPriorityTaskWoken设置为 pdTRUE。

• ​如何使用：​​ 在 ISR 退出前，检查 pxHigherPriorityTaskWoken指向的值。如果是 pdTRUE，必须调用 portYIELD_FROM_ISR()(或移植相关的宏如 taskYIELD()) 来请求一次上下文切换，让更高优先级的任务在中断退出后立即运行。

BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;
//初始化为 pdFALSE
// ... 在 ISR 中调用队列 API ...
if (xHigherPriorityTaskWoken == pdTRUE)
 //程序结尾检查是否为pdTRUE
 {
    portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken); // 如为pdTRUE进行一次任务切换
}

4. 队列的常见用途

1. ​任务间数据传输：​​ 最基本的功能，一个任务生产数据，另一个任务消费数据。

2. ​任务间同步：​​

   • ​事件通知：​​ 发送一个“空”消息（如 0或一个枚举值）表示事件发生。接收任务阻塞在队列上等待事件。

   • ​二值信号量 (Binary Semaphore)：​​ 创建一个长度为 1，项大小为 0 (uxItemSize = 0) 的队列。xQueueGive()(发送) 相当于释放信号量，xQueueTake()(接收) 相当于获取信号量。队列为空表示信号量不可用，队列满（有一个“令牌”）表示信号量可用。

   • ​计数信号量 (Counting Semaphore)：​​ 创建一个长度大于 1，项大小为 0 的队列。队列中的数据项数量代表信号量的计数值。xQueueGive()增加计数，xQueueTake()减少计数。

   • ​互斥锁 (Mutex)：​​ FreeRTOS 的互斥锁 (xSemaphoreCreateMutex()) 内部通常也是基于队列（长度=1，项大小=0）实现的，并增加了优先级继承机制。

3. ​中断到任务通信：​​ ISR 使用 FromISRAPI 将数据或事件通知发送给任务。任务阻塞在队列上等待。