RTOS训练营作业讲解队列和环形缓冲区队列——传输数据队列——同步任务和晚课提问

Posted 2022-11-23 韦东山

一：作业讲解

上一节课留了一个课后作业：

为什么IDLE任务的波形有大有小？

task2运行了1个tick，轮到idle任务。

idletask->hook->flagIdleTaskrun=1, 礼让，轮到task1运行，

task1从printf中间继续运行，打印完下一个字符后，才设置flagIdleTaskrun=0，

可以看到，flagIdleTaskrun等于1的时间：在idle任务里，也在task1里，

所以这个变量用来表示任务的运行时间：并不准确。

改成这样就没问题：

现在可以看到了，空闲任务运行的时间非常非常短：

二：队列和环形缓冲区

队列没什么复杂的，本质就是一个环形缓冲区，再加上任务的休眠和唤醒。

对于环形缓冲区，它有如下要点：

1. 有读写位置
2. 写到buff的尾部之后，要绕到头部
3. 读到buff的尾部之后，要绕到头部

这里再复习下环形缓冲区。

我们假设有一个数组，一开始里面没有数据，r = w = 0。

我要往里面写数据的时候，怎么写？

buf[w] = val;
w = (w+1);
if (w == 4)
	w = 0;

刚写的位置等于4的时候,就把它复位为0。

那怎么读数据呢？

val = buf[r];
r = r + 1;
if (r == 4)
	r = 0;

我们先不管空或者满,读写数据就是那么简单。

以面向对象的思想,我们就会抽象出一个结构体:

struct queue 
 char buf[4];
 int r;
 int w;
;

队列也是这么做的，我们来看看队列结构体长什么样:

图里面“环形缓冲区”那几个文字一个指向的是“写位置”，另一个指向的是“读位置”。

以前我们使用下标来表示读写的位置：

struct queue 
 char buf[4];
 int r;
 int w;
;

现在别人直接使用指针：

int8_t * pcWriteTo;  // 写位置
int8_t * pcReadFrom; // 读位置

这两个指针指向缓冲区在某些位置，这个缓冲区什么时候创建？

这个函数就会去分配一块内存，内存的长度就是： 1*sizeof(int)

我们这个例子里面，在这个队列里他只分配了一个元素的空间，你当然可以让他分配多个元素。

在以前讲环形缓冲区的时候，有同学问过一个问题：能不能够创建一个通用的环形缓冲区？可以用来传递任意大小的数据。

可以，队列就是：你可以指定这个环形缓冲区里每一个元素多大，有多少个元素。

可以看到，它创建一个队列的时候，会去创建一个结构体Queue_t，还会去分配保存数据的空间:

三：队列——传输数据

我们可以通过队列传递数据、同步任务，实现互斥操作。

怎么传递数据？

一个任务写对队列，另外一个任务读队列。

有同学对头和尾很容易混淆，在上面那个队列里我写了两个数据，红色斜线表示有数据。

第1个数据放在头部那里，第2个数据在尾部旁边。

要读数据的时候，先读第1个数据，就是从头部读。

假设读到了一个数据，头、尾就是这样的：

这时候如果我再写一个数据，头和尾就是这样的：

对于队列操作，我们一般来说是往尾部上写数据，

但是你也可以说：我这个数据比较着急处理，我可以写到头部去。

但读数据的时候，永远是从头部读。

四：队列——同步任务

我们可以通过队列来传递数据，那么怎么通过队列来同步任务呢？

我们以前写了一个项目：

业务系统在等待按键或者网络数据，我们可以把业务子系统写成一个任务。

读取按键，我我们也可以单独写成一个任务，

读取网络数据，也可以单独写成一个任务。

业务系统：他可以去读队列，没有数据的时候他就休眠。

谁把他唤醒？谁构造了数据、谁写了队列，就有这个任务去唤醒。

对于这几条语句，大家慢慢细品，我会提出很多问题：

task2读队列，因为没有数据正在休眠，

task1写队列，

task2优先级比task1高

task2会立刻被唤醒、立刻执行

任务2在等待数据，任务1写数据后，他怎么知道要去唤醒任务2？他怎么知道任务2在等待数据？

看看队列的结构体，里面有2个链表：

一个是用来管理那些等待空闲以便写入数据的任务，

另一个用来管理那些等待数据以便读出数据的任务。

task2读队列，因为没有数据而休眠，并且会把自己放在队列的这个链表上：xTasksWaitingToReceive。

task1写队列，会去队列的这个链表：xTasksWaitingToReceive，挑出一个任务把它唤醒。

任务的切换，就是把任务放在不同的链表，再来分析task2读队列时：

1.因为没有数据而休眠 ==> 从ready list放到delay list

放入delay list是因为，可能它并不想死等，还给自己规定了超时时间，

时间到了，tick中断要从delay list把它唤醒。

2.并且会把自己放在队列的这个链表上xTasksWaitingToReceive

即一个任务，想去读队列，但是队列里没有数据，就休眠：会把自己放入两个链表。

我们再来看看任务1，任务2读不到数据就休息了，任务1写数据后发生了什么事？

task1写队列，会去队列的这个链表：xTasksWaitingToReceive，挑出一个任务把它唤醒?

在等待数据的链表xTasksWaitingToReceive，有很多个任务，有的优先级高，有的等待时间长。

谁优先级高唤醒谁，

如果优先级都相同，谁等待时间长，就唤醒谁。

以贴砖工人和拉砖司机作比喻，对比如下：

刚举的例子是：任务二想去读数据，没有数据就休眠。

反过来也是一样的：
任务1想去写队列，队列已经满了，他也可以休眠等待。

等待什么？等待别的任务去读队列，空出一个空间。

有学员反馈有点晕，通过直播来给大家演示一下。

直播回放：本晚课笔记所在目录后面

直播总结图：

五. 晚课学员提问

1. 问： 写队列，如果这个任务的优先级最高，会立即唤醒吗？

答： 假设task2读队列，因为没有数据正在休眠，

task1写队列，

task2优先级比task1高，

task2会立刻被唤醒、立刻执行。

一定要记住，实时操作系统，事关生死，高优先级的任务一旦就绪会立刻抢占低优先级的任务。

2. 问： 假设我在中断中写队列，读队列的任务在等待。那是立刻抢占还是等中断退出再抢占？

答： 中断退出之后，最高优先级的任务才可以执行。

任务不能够抢占中断，任务只有在中断处理完才可以执行。

3. 问： 如果任务因为等待队列被挂在xTasksWaitingToReceive和 delay_list 时去删除这个任务，到时候xTasksWaitingToReceive怎么释放呢？

答： 删除任务之前 ，会把自己从xTasksWaitingToReceive这个链表删除掉。

4. 问： 一个任务想去读队列，但是队列里没有数据，就休眠，这个休眠的时间可以选择吗？

答： 可以选择。

0：没有数据我就返回一个错误，即刻返回。

portMAX_DELAY：没有数据我就永远等待，能够返回一定是已经得到的数据。

其他值：没有数据我就等待一会，如果一直没有数据的话，时间到了我就返回。

所以你要去判断返回值，成功就表示得到了数据，失败就表示没有数据。

5. 问： 唤醒等待数据的链表xTasksWaitingToReceive中的任务，要遍历一遍链表才能找到吗，还是放的时候就是按顺序的？

答： 放入链表的时候就要排序，优先级高的放在最前面、后面来等待的就放到后面去。

6. 问： 如果有多个任务想要这个数据，那么是只有一个任务才能拿到数据？

答： 是的，只有一个任务能拿到数据，也只有一个任务被唤醒。

7. 问： 老师，触发调度是通过tick中断还是唤醒后立马调度一次,这个中断是什么中断啊？

答： RTOS有些高优先级任务事关生死，高优先级的任务怎么可能等到下一个tick到来才去执行，因此FreeRTOS使用另一个中断来执行调度。

怎么触发调度、怎么调度，先不用管，

只要知道：task1唤醒了某个任务，如果那个任务的优先级更高，肯定会立刻发生调度，否则就不叫做实时操作系统了。

8. 问： 老师假如唤醒的是同等优先级的任务，是不是就是等待tick去触发调度了？

答： 是的。当前任务正在运行，你刚刚被唤醒，大家优先级都一样，不能抢占当前同优先级任务的时间。