UCOS-III任务间通信-消息队列

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已于 2024-09-27 18:03:41 修改

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分类专栏： UCOS-III 文章标签：物联网单片机

于 2024-06-26 22:58:46 首次发布

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/sensorfeng/article/details/140000107

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1. 任务间通信的两种方式

1.1 通过全局变量方式进行任务间通信

这种任务间通信方式涉及到临界资源问题，每个任务或 ISR 必须确保它对全局变量具有独占访问权限，因此必须对全局变量进行临界资源保护。任务间的临界资源保护，可以通过关中断、关闭任务调度、信号量、互斥锁实现。当涉及到ISR的临界资源保护，唯一方式是关闭中断。从任务到ISR方向的消息传递，只能使用全局变量的任务间通信方式。

1.2 通过消息队列进行任务间通信，以避免资源竞争问题。

2. 使用消息队列

2.1 系统消息队列使用

系统消息队列操作模型

OSQCreate()	创建消息队列，不可以在ISR中调用
OSQDel()	删除消息队列，不可以在ISR中调用
OSQFlush()	清空消息队列，不可以在ISR中调用
OSQPend()	等待消息，不可以在ISR中调用
OSQPendAbort()	中断等待消息，不可以在ISR中调用
OSQPost()	发送消息到消息队列

系统消息队列是应用程序分配的内核对象，只要内存足够，可以分配任意数量的系统消息队列。发送消息前必须使用OSQCreate创建消息，只有OSQpost能在ISR中调用。消息队列默认使用进进先出管道 (FIFO)，也可以在发送消息时指定为后进先出机 (LIFO)的发布消息。当任务或 ISR 必须向任务发送“紧急”消息时，后进先出机制很有用。

2.2 任务消息队列使用

OSTaskQPend()	等待消息，不可以在ISR中调用
OSTaskQPendAbort()	中断等待消息，不可以在ISR中调用
OSTaskQPost()	发送消息到任务消息队列
OSTaskQFlush()	清空任务消息队列，不可以在ISR中调用

在单个消息队列上等待多个任务的场景，在嵌入式开发中是不应该出现的。因此，可以直接使用任务内置的消息队列发送消息，无需通过创建系统消息队列进行消息床底。使用任务消息队列不仅简化了代码，而且使用任务消息队列占用的资源相对较小、代码结构更清晰、执行效率更高。

3. 消息队列的实现

3.1 消息队列关键数据结构

3.1.1 消息控制块OS_MSG


struct  os_msg {                    
    OS_MSG              *NextPtr;   //指向下一条消息的指针 
    void                *MsgPtr;    //指向消息内容的指针       
    OS_MSG_SIZE          MsgSize;   //消息内容的大小  
    CPU_TS               MsgTS;     //消息发送的时间
};

3.1.2 消息队列 OS_MSG_Q

struct  os_msg_q {                                          
    OS_MSG              *InPtr;     //指向下一个消息插入的位置
    OS_MSG              *OutPtr;    //指向下一个消息提取的位置                                            
    OS_MSG_QTY           NbrEntriesSize; //消息队列限制的消息控制块数量
    OS_MSG_QTY           NbrEntries;     //消息队列现在的消息控制块数量
    OS_MSG_QTY           NbrEntriesMax;  //消息队列消息控制块数量峰值
    CPU_INT16U           MsgQID;         //消息队列ID                   
};

消息队列里的消息控制块

3.1.3 消息池

struct  os_msg_pool {                                                    
    OS_MSG              *NextPtr;  //指向下一个消息块 
    OS_MSG_QTY           NbrFree;  //消息池里空闲的消息块数量                       
    OS_MSG_QTY           NbrUsed;  //消息池里已被使用的消息块数量                                             
    OS_MSG_QTY           NbrUsedMax; //消息池里消息块使用峰值                                                
};

消息池里的消息控制块

3.2 消息队列过程分析

3.2.1 定义静态消息控制块

#define OS_CFG_MSG_POOLSIZE 100u   //os_cfg_app.h 
OS_MSG OSCfg_MsgPool       [OS_CFG_MSG_POOLSIZE];  //os_cfg_app.c
OS_MSG       * const OSCfg_MsgPoolBasePtr       = &OSCfg_MsgPool[0];

3.2.2 消息池初始化

OSInit()-->OS_MsgPoolInit()
void  OS_MsgPoolInit (OS_ERR  *p_err){
    p_msg1 = OSCfg_MsgPoolBasePtr;
    p_msg2 = OSCfg_MsgPoolBasePtr;
    p_msg2++;
    loops  = OSCfg_MsgPoolSize - 1u;

    //把静态消息控制块转换为消息控制块单链表，并把消息控制块初始化 
    for (i = 0u; i < loops; i++) {                                                        */
        p_msg1->NextPtr = p_msg2;
        p_msg1->MsgPtr  = (void *)0;
        p_msg1->MsgSize =         0u;
        p_msg1++;
        p_msg2++;
    }
    
    //单链表中的最后一个消息控制块初始化
    p_msg1->NextPtr = (OS_MSG *)0;                                                                    */
    p_msg1->MsgPtr  = (void   *)0;
    p_msg1->MsgSize =           0u;

    //初始化消息池
    OSMsgPool.NextPtr    = OSCfg_MsgPoolBasePtr;//指向消息控制块单链表
    OSMsgPool.NbrFree    = OSCfg_MsgPoolSize;   //消息池大小初始化为静态消息控制块的大小
    OSMsgPool.NbrUsed    = 0u; 
}

3.2.3 创建消息队列

使用系统消息队列时需要调用 OSQCreate()创建一个系统消息队列。每个任务里都已经创建了一个任务级的消息队列，可直接使用。

3.2.4 消息发送

调用OSQPost() 发送一个消息到指定的系统消息队列中.

调用OSTaskQPost() 发送一个消息到指定的任务消息队列中。

发送消息前，从消息池中取出一个消息控制块，用所发送消息的大小及消息指针对消息控制块进行初始化，插入到系统消息队列或任务消息队列中，然后调用 OSSched()唤醒被此消息队列阻塞的任务。

3.2.5 消息接收

接收消息的任务被唤醒后，从消息队列中取出消息控制块，提取消息体大小及消息体进行处理，处理完后把消息控制块从消息队列中删除，重新放回到消息池中。

4. 消息队列流量控制的实现

4.1 系统消息队列流量控制

系统消息队列流量控制模型

4.2 任务消息队列流量控制

任务消息队列流量控制模型

4.3 消息队列流量控制伪代码

Producer Task:
    Pend on Semaphore;
    Send message to message queue;
           
Consumer Task:
    Wait for message from message queue;
    Signal the semaphore;

5. 消息队列总结

a. 从任务到ISR方向的消息传递，只能使用全局变量的任务间通信方式。

b. 消息发送时，并没有复制消息体。消息体可使用动态内存分配，发送消息前申请，消息接收处理后释放。

c. 可以使用任务消息队列，就不使用系统消息队列。

d. 可以使用消息队列进行任务间通信，就不使用共享内存进行任务间通信。