FreeRTOS 中的队列

FreeRTOS 的消息队列（Queue）是实现任务间或任务与中断间通信的核心机制，支持数据传递和同步。以下是消息队列的详细讲解：

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1. 消息队列的作用

• 数据传输：任务或中断服务程序（ISR）通过队列发送和接收数据。
• 同步机制：队列满或空时，任务可选择阻塞等待，实现任务协调。
• 缓冲数据：存储多个数据项，缓解生产者和消费者速度不匹配问题。

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2. 队列的数据结构

FreeRTOS 队列通过结构体 Queue_t 管理：

typedef struct QueueDefinition {
    int8_t *pcHead;               // 队列缓冲区起始地址
    int8_t *pcTail;               // 队列缓冲区结束地址
    int8_t *pcWriteTo;            // 下一个写入位置
    int8_t *pcReadFrom;           // 下一个读取位置

    List_t xTasksWaitingToSend;   // 等待发送的任务列表（队列满时阻塞）
    List_t xTasksWaitingToReceive;// 等待接收的任务列表（队列空时阻塞）

    UBaseType_t uxLength;         // 队列长度（最大数据项数）
    UBaseType_t uxItemSize;       // 每个数据项的大小（字节）
    volatile UBaseType_t uxMessagesWaiting; // 当前队列中的有效数据项数

    #if (configUSE_QUEUE_SETS == 1)
        struct QueueDefinition *pxQueueSetContainer; // 队列集合相关
    #endif
} xQUEUE;

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3. 核心 API 函数

（1）创建队列

QueueHandle_t xQueueCreate(UBaseType_t uxQueueLength, UBaseType_t uxItemSize);

• 参数：
  • uxQueueLength：队列容量（最多存放的数据项数）。
  • uxItemSize：每个数据项的大小（字节）。
• 返回值：队列句柄（失败返回 NULL）。

（2）发送数据

• 任务中发送：

  BaseType_t xQueueSend(QueueHandle_t xQueue, const void *pvItemToSend, TickType_t xTicksToWait);
  

• 中断中发送：

  BaseType_t xQueueSendFromISR(QueueHandle_t xQueue, const void *pvItemToCopy, BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken);
  

• 参数：
  • xTicksToWait：队列满时的阻塞时间（portMAX_DELAY 表示永久阻塞）。
  • pxHigherPriorityTaskWoken：用于标记是否唤醒更高优先级任务。

（3）接收数据

• 任务中接收：

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

• 中断中接收：

  BaseType_t xQueueReceiveFromISR(QueueHandle_t xQueue, void *pvBuffer, BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken);
  

（4）其他操作

• 查询队列状态：

  UBaseType_t uxQueueMessagesWaiting(QueueHandle_t xQueue); // 当前队列中的数据项数
  

• 清空队列：

  BaseType_t xQueueReset(QueueHandle_t xQueue);
  

• 覆盖写入（队列满时覆盖最旧数据）：

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

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4. 队列的阻塞机制

• 发送阻塞：当队列满时，发送任务挂起到 xTasksWaitingToSend 列表，等待接收任务释放空间。
• 接收阻塞：当队列空时，接收任务挂起到 xTasksWaitingToReceive 列表，等待发送任务写入数据。
• 超时唤醒：若阻塞时间到期仍无数据，任务自动恢复为就绪状态。

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5. 内部实现原理

（1）环形缓冲区

• 存储结构：队列数据存储在连续的环形缓冲区中，pcWriteTo 和 pcReadFrom 分别指向写入和读取位置。
• 写入逻辑：
  • 将数据拷贝到 pcWriteTo 位置。
  • 更新 pcWriteTo：若到达缓冲区末尾，回绕到起始地址。
• 读取逻辑：
  • 从 pcReadFrom 位置拷贝数据。
  • 更新 pcReadFrom：同上。

（2）任务唤醒

• 发送唤醒接收者：当数据写入队列后，检查 xTasksWaitingToReceive 列表，唤醒首个等待任务。
• 接收唤醒发送者：当数据被取出后，检查 xTasksWaitingToSend 列表，唤醒首个等待任务。

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6. 中断中使用队列的注意事项

• 仅使用 FromISR 函数：中断中必须调用带 FromISR 后缀的 API，避免触发上下文切换。
• 快速操作：中断服务程序应简短，若队列操作可能唤醒高优先级任务，需通过 pxHigherPriorityTaskWoken 标记，并在退出中断后调用 portYIELD_FROM_ISR()。

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7. 应用示例

任务间传递传感器数据

// 定义队列句柄
QueueHandle_t xSensorQueue;

// 创建队列（容量10，每个数据项为float类型）
xSensorQueue = xQueueCreate(10, sizeof(float));

// 生产者任务（发送数据）
void vSensorTask(void *pvParameters) {
    float data;
    while (1) {
        data = read_sensor();
        xQueueSend(xSensorQueue, &data, portMAX_DELAY); // 阻塞直到发送成功
    }
}

// 消费者任务（接收数据）
void vProcessTask(void *pvParameters) {
    float received_data;
    while (1) {
        if (xQueueReceive(xSensorQueue, &received_data, pdMS_TO_TICKS(100)) {
            process_data(received_data);
        }
    }
}

中断服务程序发送数据

void UART_ISR(void) {
    BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;
    uint8_t byte;

    // 读取UART数据
    byte = UART->DR;

    // 发送到队列
    xQueueSendFromISR(xUartQueue, &byte, &xHigherPriorityTaskWoken);

    // 必要时触发任务切换
    portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken);
}

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8. 常见问题与调试

（1）队列发送/接收失败

• 队列满/空：检查发送和接收频率是否匹配，或增大队列长度。
• 数据项大小不匹配：确保创建队列时的 uxItemSize 与发送数据的大小一致。

（2）内存溢出

• 堆空间不足：队列创建失败时，需增大 configTOTAL_HEAP_SIZE。

（3）优先级反转

• 互斥访问：若多个任务竞争队列，考虑使用互斥量（Mutex）保护队列操作。

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9. 队列与其他通信机制的对比

机制	特点	适用场景
队列	传输结构化数据，支持阻塞和超时	任务间传递数据包、命令
信号量	仅传递事件计数，无数据负载	资源计数、同步事件
事件组	多事件标志位组合触发	任务等待多个条件
任务通知	轻量级，仅单任务通信，无队列缓存	快速单次事件通知

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总结

FreeRTOS 的消息队列通过环形缓冲区和任务阻塞列表实现高效的数据传递与同步。使用时需注意队列长度、数据项大小及中断安全操作。结合阻塞机制和优先级设计，队列可有效协调多任务协作，是复杂嵌入式系统的核心通信工具。