14.FreeRTOS 流媒体缓存 Stream Buffer

FreeRTOS 中的 Stream Buffer(流媒体缓存)

在实时操作系统(RTOS)中,处理流媒体数据是一项非常关键的任务。FreeRTOS 提供了一种名为 Stream Buffer(流媒体缓存)的机制,用于高效地管理和传输流式数据,如音频、视频等。

什么是 Stream Buffer?

Stream Buffer 是 FreeRTOS 提供的一种数据结构,专门用于在任务之间传递和处理流式数据。与队列不同,Stream Buffer 适用于大数据块的流式传输,而不是单个数据项的传输。这使得它非常适合用于音频、视频和其他连续数据流的场景。

Stream Buffer 的工作原理

Stream Buffer 的基本操作包括创建、发送和接收数据。它通过一个环形缓冲区来存储数据,使得数据可以连续地写入和读取。以下是其主要操作:

  1. 创建 Stream Buffer:使用 xStreamBufferCreate 函数创建一个新的 Stream Buffer。
  2. 发送数据到 Stream Buffer:任务使用 xStreamBufferSend 将数据发送到缓冲区。
  3. 从 Stream Buffer 接收数据:任务使用 xStreamBufferReceive 从缓冲区接收数据。

流媒体传输任务处理的示例

下面是一个示例,展示了如何使用 Stream Buffer 实现流水线式任务处理:

#include <Arduino.h>
#include <FreeRTOS.h>
#include <stream_buffer.h>

#define BUFFER_SIZE 1024
#define TRIGGER_LEVEL 1

StreamBufferHandle_t xStreamBuffer;

// Task1: 发送数据到 Stream Buffer
void Task1(void *pvParameters) {
    const char *data = "Task 1 data";
    for (;;) {
        // 模拟 Task1 的工作
        delay(1000);
        Serial.println("Task 1 is sending data");
        xStreamBufferSend(xStreamBuffer, data, strlen(data), portMAX_DELAY);
    }
}

// Task2: 从 Stream Buffer 接收数据并处理
void Task2(void *pvParameters) {
    char buffer[50];
    for (;;) {
        // 从 Stream Buffer 接收数据
        size_t bytesReceived = xStreamBufferReceive(xStreamBuffer, buffer, sizeof(buffer), portMAX_DELAY);
        if (bytesReceived > 0) {
            buffer[bytesReceived] = '\0'; // 确保字符串以 NULL 结尾
            Serial.print("Task 2 received data: ");
            Serial.println(buffer);
            // 模拟 Task2 的工作
            delay(1000);
        }
    }
}

void setup() {
    Serial.begin(115200);

    // 创建 Stream Buffer
    xStreamBuffer = xStreamBufferCreate(BUFFER_SIZE, TRIGGER_LEVEL);
    if (xStreamBuffer == NULL) {
        // 创建失败,处理错误
        while (1);
    }

    // 创建任务
    xTaskCreate(Task1, "Task 1", 10000, NULL, 1, NULL);
    xTaskCreate(Task2, "Task 2", 10000, NULL, 1, NULL);

    // 启动任务调度器
    vTaskStartScheduler();
}

void loop() {
    // loop 函数为空,不需要额外的代码
}

API

使用 Stream Buffer 的步骤

1. 创建 Stream Buffer

要创建一个 Stream Buffer,使用 xStreamBufferCreate 函数:

StreamBufferHandle_t xStreamBufferCreate(size_t xBufferSizeBytes, size_t xTriggerLevelBytes);

参数

  • xBufferSizeBytes:缓冲区的大小(字节数)。
  • xTriggerLevelBytes:触发接收任务的最小字节数。

返回值

  • 成功时返回 Stream Buffer 的句柄(非 NULL);失败时返回 NULL。

示例:

StreamBufferHandle_t xStreamBuffer = xStreamBufferCreate(1024, 1);
if (xStreamBuffer == NULL) {
    // 创建失败,处理错误
}
2. 发送数据到 Stream Buffer

使用 xStreamBufferSend 将数据发送到缓冲区:

size_t xStreamBufferSend(StreamBufferHandle_t xStreamBuffer, const void *pvTxData, size_t xDataLengthBytes, TickType_t xTicksToWait);

参数

  • xStreamBuffer:Stream Buffer 的句柄。
  • pvTxData:要发送的数据指针。
  • xDataLengthBytes:发送的数据长度(字节数)。
  • xTicksToWait:等待时间(滴答数)。

返回值

  • 成功发送的数据字节数。如果返回值小于 xDataLengthBytes,则表示在 xTicksToWait 时间内没有足够的空间发送所有数据。

示例:

const char *data = "Hello, FreeRTOS!";
size_t bytesSent = xStreamBufferSend(xStreamBuffer, data, strlen(data), portMAX_DELAY);
if (bytesSent < strlen(data)) {
    // 发送的数据不完整,处理错误
}
3. 从 Stream Buffer 接收数据

使用 xStreamBufferReceive 从缓冲区接收数据:

size_t xStreamBufferReceive(StreamBufferHandle_t xStreamBuffer, void *pvRxData, size_t xBufferLengthBytes, TickType_t xTicksToWait);

参数

  • xStreamBuffer:Stream Buffer 的句柄。
  • pvRxData:接收数据的缓冲区指针。
  • xBufferLengthBytes:接收缓冲区的大小(字节数)。
  • xTicksToWait:等待时间(滴答数)。

返回值

  • 成功接收的数据字节数。如果返回值小于 xBufferLengthBytes,则表示在 xTicksToWait 时间内没有接收到足够的数据。

示例:

char buffer[50];
size_t bytesReceived = xStreamBufferReceive(xStreamBuffer, buffer, sizeof(buffer), portMAX_DELAY);
if (bytesReceived > 0) {
    buffer[bytesReceived] = '\0'; // 确保字符串以 NULL 结尾
    Serial.println(buffer);
} else {
    // 接收失败,处理错误
}

其他 Stream Buffer API

1. xStreamBufferCreateStatic

创建一个静态分配的 Stream Buffer。

StreamBufferHandle_t xStreamBufferCreateStatic(size_t xBufferSizeBytes, size_t xTriggerLevelBytes, uint8_t *pucStreamBufferStorageArea, StaticStreamBuffer_t *pxStaticStreamBuffer);

参数

  • xBufferSizeBytes:缓冲区的大小(字节数)。
  • xTriggerLevelBytes:触发接收任务的最小字节数。
  • pucStreamBufferStorageArea:指向预先分配的缓冲区存储区。
  • pxStaticStreamBuffer:指向预先分配的 StaticStreamBuffer_t 结构。

返回值

  • 成功时返回 Stream Buffer 的句柄(非 NULL);失败时返回 NULL。
2. xStreamBufferReset

重置 Stream Buffer,使其变为空。

BaseType_t xStreamBufferReset(StreamBufferHandle_t xStreamBuffer);

参数

  • xStreamBuffer:Stream Buffer 的句柄。

返回值

  • 如果成功重置 Stream Buffer,则返回 pdPASS;如果在 Stream Buffer 上有任务阻塞,则返回 pdFAIL。

示例:

if (xStreamBufferReset(xStreamBuffer) == pdPASS) {
    // 重置成功
} else {
    // 重置失败,处理错误
}
3. xStreamBufferSpacesAvailable

获取 Stream Buffer 中可用的空闲空间(字节数)。

size_t xStreamBufferSpacesAvailable(StreamBufferHandle_t xStreamBuffer);

参数

  • xStreamBuffer:Stream Buffer 的句柄。

返回值

  • Stream Buffer 中当前可用的空闲空间,以字节为单位。

示例:

size_t spaceAvailable = xStreamBufferSpacesAvailable(xStreamBuffer);
Serial.print("Space available: ");
Serial.println(spaceAvailable);
4. xStreamBufferBytesAvailable

获取 Stream Buffer 中可读取的字节数。

size_t xStreamBufferBytesAvailable(StreamBufferHandle_t xStreamBuffer);

参数

  • xStreamBuffer:Stream Buffer 的句柄。

返回值

  • Stream Buffer 中当前可读取的字节数。

示例:

size_t bytesAvailable = xStreamBufferBytesAvailable(xStreamBuffer);
Serial.print("Bytes available: ");
Serial.println(bytesAvailable);
5. xStreamBufferSetTriggerLevel

设置触发接收任务的最小字节数。

BaseType_t xStreamBufferSetTriggerLevel(StreamBufferHandle_t xStreamBuffer, size_t xTriggerLevel);

参数

  • xStreamBuffer:Stream Buffer 的句柄。
  • xTriggerLevel:触发级别(字节数)。

返回值

  • 如果成功设置触发级别,则返回 pdPASS;如果提供的 xTriggerLevel 超过缓冲区大小,则返回 pdFAIL。

示例:

if (xStreamBufferSetTriggerLevel(xStreamBuffer, 10) == pdPASS) {
    // 设置成功
} else {
    // 设置失败,处理错误
}
6. vStreamBufferDelete

删除 Stream Buffer,释放分配的内存。

void vStreamBufferDelete(StreamBufferHandle_t xStreamBuffer);

参数

  • xStreamBuffer:Stream Buffer 的句柄。

返回值

  • 无返回值。

示例:

vStreamBufferDelete(xStreamBuffer);

结论

FreeRTOS 的 Stream Buffer 提供了一种高效的机制来处理和传输流媒体数据。通过合理使用 Stream Buffer,可以在嵌入式系统中实现稳定可靠的流媒体数据处理。在实际应用中,我们应根据具体需求调整缓冲区大小和触发级别,并优化数据处理流程,以实现最佳性能。

### FreeRTOS 环形队列收发程序示例 FreeRTOS 提供了多种通信机制,其中包括消息队列和流缓冲区。虽然 FreeRTOS 并未直接提供名为“环形队列”的组件,但可以通过配置消息队列或流缓冲区来实现类似功能。 #### 使用消息队列模拟环形队列 为了创建一个类似于环形队列的行为,可以利用 FreeRTOS 的 `xQueueCreate` 函数建立固定长度的消息队列,并通过设置合理的参数使其表现得像一个循环使用的存储空间: ```c // 创建具有特定数量项的消息队列 QueueHandle_t xQueue = xQueueCreate(10, sizeof(int)); if (xQueue != NULL) { int valueToSend; // 发送数据到队列中 while (true) { // 假设这里有一个新值需要发送 BaseType_t xResultSend = xQueueSend(xQueue, &valueToSend, portMAX_DELAY); if (xResultSend == pdPASS){ // 成功发送处理逻辑... } else { // 处理失败情况... } vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(10)); // 模拟工作周期延迟 } } ``` 对于接收端,则可以从这个队列读取项目直到它为空为止,在此过程中实现了先进先出(FIFO)原则下的重复使用特性[^2]。 #### 利用流缓冲区作为更高效的解决方案 如果追求更高的性能以及更加灵活的数据传输方式,那么应该考虑采用流缓冲区(Stream Buffer),因为它们允许任意大小的数据包被写入并从中读回,而无需事先知道确切尺寸: ```c #define BUFFER_SIZE 512 #define TRIGGER_LEVEL 1 static StreamBufferHandle_t my_stream_buffer; void setup() { // 初始化流缓存器 my_stream_buffer = xStreamBufferCreate(BUFFER_SIZE, TRIGGER_LEVEL); if(my_stream_buffer != NULL){ printf("成功初始化流缓冲区\n"); }else{ printf("未能分配足够的内存给流缓冲区!\n"); } } void send_data(const char *data_to_send){ size_t length_of_string=strlen(data_to_send)+1; // 加上终止符'\0' size_t bytes_sent=xStreamBufferSend(my_stream_buffer,data_to_send,length_of_string,portMAX_DELAY); if(bytes_sent==length_of_string){ printf("全部字符已发送.\n"); }else{ printf("%zu 字节中的 %zu 被实际传送出去.", length_of_string,bytes_sent ); } } char received_message[BUFFER_SIZE]; size_t message_length; while(true){ memset(received_message,'\0',BUFFER_SIZE); // 清除数组 message_length=xStreamBufferReceive(my_stream_buffer,received_message,BUFFER_SIZE-1,pdMS_TO_TICKS(10)); if(message_length>0){ printf("接收到的信息:%s",received_message); } vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(100));// 防止过度占用CPU资源 } ``` 上述代码片段展示了如何定义、初始化一个流缓冲区实例,并展示了一个简单的发送与接收过程。这种方式不仅能够有效地管理有限的 RAM 资源,而且提供了更好的灵活性和支持更大的单次传输量[^3]。
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