ESP32使用freeRTOS的消息队列

Posted 2022-06-30 Wireless_Link

零. 声明

本专栏文章我们会以连载的方式持续更新，本专栏计划更新内容如下：

第一篇:ESP-IDF基本介绍，主要会涉及模组，芯片，开发板的介绍，环境搭建，程序编译下载，启动流程等一些基本的操作，让你对ESP-IDF开发有一个总体的认识，比我们后续学习打下基础！

第二篇:ESP32-IDF外设驱动介绍，主要会根据esp-idf现有的driver，提供各个外设的驱动，比如LED,OLED,SPI LCD,TOUCH,红外,Codec ic等等，在这一篇中，我们不仅仅来做外设驱动，还会对常用的外设总线做一个介绍，让大家知其然又知其所以然！

第三篇:目前比较火热的GUI LVGL介绍，主要会设计LVGL7.1,LVGL8的移植介绍,并且也会介绍各个组件，知道原理后，最后，我们会推出一款组态软件来构建我们的GUI，来提升我们的效率！

第四篇:ESP32-蓝牙，熟悉我的，应该都知道，我即使从事蓝牙协议栈的开发的，所以这个是我们独有的优势，在这一篇章，我们会提供不仅仅是蓝牙应用方法的知识，也会应用结合蓝牙底层协议栈的理论，让你彻底从上到下打通蓝牙任督二脉！

第五篇：Wi-Fi介绍，熟悉我的，应该也知道，我们也做过一款sdio wifi的驱动教程板子，所以在wifi这方面我们也是有独有的优势，在这一篇章，我们同样不仅仅提供Wi-Fi应用方面的知识，也会结合底层理论，让你对Wi-Fi有一个清晰的认知！

另外，我们的教程包括但是不局限于以上篇章，为了给你一个更好的导航，以下信息尤其重要，请详细查看！！

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一.消息队列的概念

队列又称消息队列，是一种常用于任务间通信的数据结构，队列可以在任务与任务间、中断和任务间传递信息，实现了任务接收来自其他任务或中断的不固定长度的消息，任务能够从队列里面读取消息，当队列中的消息是空时，读取消息的任务将被阻塞，用户还可以指定阻塞的任务时间 xTicksToWait，在这段时间中，如果队列为空，该任务将保持阻塞状态以等待队列数据有效。当队列中有新消息时，被阻塞的任务会被唤醒并处理新消息；当等待的时间超过了指定的阻塞时间，即使队列中尚无有效数据，任务也会自动从阻塞态转为就绪态。消息队列是一种异步的通信方式。通过消息队列服务，任务或中断服务例程可以将一条或多条消息放入消息队列中。同样，一个或多个任务可以从消息队列中获得消息。当有多个消息发送到消息队列时，通常是将先进入消息队列的消息先传给任务，也就是说，任务先得到的是最先进入消息队列的消息，即先进先出原则（FIFO），但是也支持后进先出原则（LIFO）。FreeRTOS 中使用队列数据结构实现任务异步通信工作，具有如下特性：

 消息支持先进先出方式排队，支持异步读写工作方式。

 读写队列均支持超时机制。

 消息支持后进先出方式排队，往队首发送消息（LIFO）。

 可以允许不同长度（不超过队列节点最大值）的任意类型消息。

 一个任务能够从任意一个消息队列接收和发送消息。

 多个任务能够从同一个消息队列接收和发送消息。

 当队列使用结束后，可以通过删除队列函数进行删除。

二.消息队列的工作机制

创建消息队列时 FreeRTOS 会先给消息队列分配一块内存空间，这块内存的大小等于消息队列控制块大小加上（单个消息空间大小与消息队列长度的乘积），接着再初始化消息队列，此时消息队列为空。FreeRTOS 的消息队列控制块由多个元素组成，当消息队列被创建时，系统会为控制块分配对应的内存空间，用于保存消息队列的一些信息如消息的存储位置，头指针 pcHead、尾指针 pcTail、消息大小 uxItemSize 以及队列长度 uxLength 等。同时每个消息队列都与消息空间在同一段连续的内存空间中，在创建成功的时候，这些内存就被占用了，只有删除了消息队列的时候，这段内存才会被释放掉，创建成功的时候就已经分配好每个消息空间与消息队列的容量，无法更改，每个消息空间可以存放不大于消息大小 uxItemSize 的任意类型的数据，所有消息队列中的消息空间总数即是消息队列的长度，这个长度可在消息队列创建时指定。

任务或者中断服务程序都可以给消息队列发送消息，当发送消息时，如果队列未满或者允许覆盖入队，FreeRTOS 会将消息拷贝到消息队列队尾，否则，会根据用户指定的阻塞超时时间进行阻塞，在这段时间中，如果队列一直不允许入队，该任务将保持阻塞状态以等待队列允许入队。当其它任务从其等待的队列中读取入了数据（队列未满），该任务将自动由阻塞态转移为就绪态。当等待的时间超过了指定的阻塞时间，即使队列中还不允许入队，任务也会自动从阻塞态转移为就绪态，此时发送消息的任务或者中断程序会收到一个错误码 errQUEUE_FULL。

发送紧急消息的过程与发送消息几乎一样，唯一的不同是，当发送紧急消息时，发送的位置是消息队列队头而非队尾，这样，接收者就能够优先接收到紧急消息，从而及时进行消息处理。

当某个任务试图读一个队列时，其可以指定一个阻塞超时时间。在这段时间中，如果队列为空，该任务将保持阻塞状态以等待队列数据有效。当其它任务或中断服务程序往其等待的队列中写入了数据，该任务将自动由阻塞态转移为就绪态。当等待的时间超过了指定的阻塞时间，即使队列中尚无有效数据，任务也会自动从阻塞态转移为就绪态。

当消息队列不再被使用时，应该删除它以释放系统资源，一旦操作完成，消息队列将

被永久性的删除。

消息队列的运作过程具体见图：

三.消息队列的阻塞机制

很简单，因为 FreeRTOS 已经为我们做好了，我们直接使用就好了，每个对消息队列读写的函数，都有这种机制，我称之为阻塞机制。假设有一个任务 A 对某个队列进行读操作的时候（也就是我们所说的出队），发现它没有消息，那么此时任务 A 有 3 个选择：第一个选择，任务 A 扭头就走，既然队列没有消息，那我也不等了，干其它事情去，这样子任务 A 不会进入阻塞态；第二个选择，任务 A 还是在这里等等吧，可能过一会队列就有消息，此时任务 A 会进入阻塞状态，在等待着消息的道来，而任务 A 的等待时间就由我们自己定义，比如设置 1000 个系统时钟节拍 tick 的等待，在这 1000 个 tick 到来之前任务 A 都是处于阻塞态，当阻塞的这段时间任务 A 等到了队列的消息，那么任务 A 就会从阻塞态变成就绪态，如果此时任务 A 比当前运行的任务优先级还高，那么，任务 A 就会得到消息并且运行；假如 1000 个 tick 都过去了，队列还没消息，那任务 A 就不等了，从阻塞态中唤醒，返回一个没等到消息的错误代码，然后继续执行任务 A 的其他代码；第三个选择，任务 A 死等，不等到消息就不走了，这样子任务 A 就会进入阻塞态，直到完成读取队列的消息。

而在发送消息操作的时候，为了保护数据，当且仅当队列允许入队的时候，发送者才能成功发送消息；队列中无可用消息空间时，说明消息队列已满，此时，系统会根据用户指定的阻塞超时时间将任务阻塞，在指定的超时时间内如果还不能完成入队操作，发送消息的任务或者中断服务程序会收到一个错误码 errQUEUE_FULL，然后解除阻塞状态；当然，只有在任务中发送消息才允许进行阻塞状态，而在中断中发送消息不允许带有阻塞机制的，需要调用在中断中发送消息的 API 函数接口，因为发送消息的上下文环境是在中断中，不允许有阻塞的情况。

假如有多个任务阻塞在一个消息队列中，那么这些阻塞的任务将按照任务优先级进行排序，优先级高的任务将优先获得队列的访问权。

四.消息队列的常用函数

使用队列模块的典型流程如下：

 创建消息队列。

 写队列操作。

 读队列操作。

 删除队列。

1.消息队列创建函数 xQueueCreate()

xQueueCreate() 用于创建一个新的队列并返回可用于访问这个队列的队列句柄。队列句柄其实就是一个指向队列数据结构类型的指针。

队列就是一个数据结构，用于任务间的数据的传递。每创建一个新的队列都需要为其分配 RAM ，一部分用于存储队列的状态，剩下 的作为队列消息的存储区域 。使用xQueueCreate() 创建队列 时 ， 使用的是动态内存分配，所以 要想使用该函数必须在FreeRTOSConfig.h 中把 configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION 定义为 1 来使能，这是个用于使能动态内存分配的宏，通常情况下，在 FreeRTOS 中，凡是创建任务，队列，信号量和互斥量等内核对象都需要使用动态内存分配，所以这个宏默认在 FreeRTOS.h 头文件中已经使能（即定义为 1）。如果想使用静态内存，则可以使用 xQueueCreateStatic() 函数来创建一个队列。使用静态创建消息队列函数创建队列时需要的形参更多，需要的内存由编译的时候预先分配好，一般很少使用这种方法。使用说明具体见表格

2.消息队列静态创建函数 xQueueCreateStatic()

xQueueCreateStatic()用于创建一个新的队列并返回可用于访问这个队列的队列句柄。队列句柄其实就是一个指向队列数据结构类型的指针。

队列就是一个数据结构，用于任务间的数据的传递。每创建一个新的队列都需要为其分配 RAM ， 一 部 分 用 于 存 储 队 列 的 状 态 ， 剩 下 的 作 为 队 列 的 存 储 区 。 使 用xQueueCreateStatic() 创建队列时，使用的是静态内存分配，所以要想使用该函数必须在FreeRTOSConfig.h 中把 configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION 定义为 1 来使能。这是个用于使能静态内存分配的宏，需要的内存在程序编译的时候分配好，由用户自己定义，其实创建过程与 xQueueCreate()都是差不多的，我们暂不深入讲解

3.消息队列删除函数 vQueueDelete()

队列删除函数是根据消息队列句柄直接删除的，删除之后这个消息队列的所有信息都会被系统回收清空，而且不能再次使用这个消息队列了，但是需要注意的是，如果某个消息队列没有被创建，那也是无法被删除的，动脑子想想都知道，没创建的东西就不存在，怎么可能被删除。xQueue 是 vQueueDelete()函数的形参，是消息队列句柄，表示的是要删除哪个想队列。

4.向消息队列发送消息函数

任务或者中断服务程序都可以给消息队列发送消息，当发送消息时，如果队列未满或者允许覆盖入队，FreeRTOS 会将消息拷贝到消息队列队尾，否则，会根据用户指定的阻塞超时时间进行阻塞，在这段时间中，如果队列一直不允许入队，该任务将保持阻塞状态以等待队列允许入队。当其它任务从其等待的队列中读取入了数据（队列未满），该任务将自动由阻塞态转为就绪态。当任务等待的时间超过了指定的阻塞时间，即使队列中还不允许入队，任务也会自动从阻塞态转移为就绪态，此时发送消息的任务或者中断程序会收到

一个错误码 errQUEUE_FULL。

发送紧急消息的过程与发送消息几乎一样，唯一的不同是，当发送紧急消息时，发送的位置是消息队列队头而非队尾，这样，接收者就能够优先接收到紧急消息，从而及时进行消息处理。

其实消息队列发送函数有好几个，都是使用宏定义进行展开的，有些只能在任务调用，有些只能在中断中调用，具体见下面讲解。

4.1 xQueueSend()与 xQueueSendToBack()

xQueueSend()用于向队列尾部发送一个队列消息。消息以拷贝的形式入队，而不是以引用的形式。该函数绝对不能在中断服务程序里面被调用，中断中必须使用带有中断保护功能的 xQueueSendFromISR()来代替。xQueueSend() 等 同 于xQueueSendToBack()

4.2 xQueueSendFromISR()与 xQueueSendToBackFromISR()

xQueueSendFromISR()是一个宏，宏展开是调用函数 xQueueGenericSendFromISR()。该宏是 xQueueSend()的中断保护版本，用于在中断服务程序中向队列尾部发送一个队列消息，等价于 xQueueSendToBackFromISR()

4.3 xQueueSendToFront()

xQueueSendToFron() 是 一个 宏， 宏 展 开 也 是 调 用 函数 xQueueGenericSend() 。xQueueSendToFront()用于向队列队首发送一个消息。消息以拷贝的形式入队，而不是以引用的形式。该函数绝不能在中断服务程序里面被调用，而是必须使用带有中断保护功能的

xQueueSendToFrontFromISR ()来代替

4.4 xQueueSendToFrontFromISR()

xQueueSendToFrontFromISR() 是 一 个 宏 ， 宏 展 开 是 调 用 函数xQueueGenericSendFromISR()。该宏是 xQueueSend ToFront()的中断保护版本，用于在中断服务程序中向消息队列队首发送一个消息。

5.从消息队列读取消息函数

5.1 xQueueReceive()与 xQueuePeek()

xQueueReceive() 是 一个 宏， 宏 展 开 是 调 用 函数 xQueueGenericReceive() 。xQueueReceive()用于从一个队列中接收消息并把消息从队列中删除。接收的消息是以拷贝的形式进行的，所以我们必须提供一个足够大空间的缓冲区。具体能够拷贝多少数据到缓冲区，这个在队列创建的时候已经设定。该函数绝不能在中断服务程序里面被调用，而是必须使用带有中断保护功能的 xQueueReceiveFromISR () 来代替。

看到这里，有人就问了如果我接收了消息不想删除怎么办呢？其实，你能想到的东西，FreeRTOS 看到也想到了，如果不想删除消息的话，就调用 xQueuePeek ()函数。其实这个函数与 xQueueReceive()函数的实现方式一样，连使用方法都一样，只不过xQueuePeek()函数接收消息完毕不会删除消息队列中的消息而已

5.2 xQueueReceiveFromISR()与 xQueuePeekFromISR()

xQueueReceiveFromISR() 是 xQueueReceive ()的中断版本，用于在中断服务程序中接收一个队列消息并把消息从队列中删除；xQueuePeekFromISR()是 xQueuePeek()的中断版本，用于在中断中从一个队列中接收消息，但并不会把消息从队列中移除。说白了这两个函数只能用于中断，是不带有阻塞机制的，并且是在中断中可以安全调用。

xQueuePeekFromISR跟xQueueReceiveFromISR作用一样，从中断中接收一个消息的，但是不会把消息从消息队列中删除。

五.消息队列的例子

1.代码

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdint.h>
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"
#include "freertos/queue.h"

static QueueHandle_t message_queue;

typedef struct 
    uint8_t *q_data;
    uint16_t q_data_len;
 message_data_t;

void msg_queue_send_task(void *pvParameters)

    printf("msg_queue_send_task\\n");
    while(1)
    
        uint8_t data_len = rand() % 256;
        message_data_t message_data;

        if(!data_len)
            data_len = 1;

        message_data.q_data_len = data_len;
        message_data.q_data = malloc(data_len);
        if (message_data.q_data == NULL) 
            printf("Malloc q_data_len failed!");
            return;
        
        
        printf("message data len = %d\\n",data_len);
        memset(message_data.q_data,data_len,data_len);
        if (xQueueSend(message_queue, (void *)&message_data, ( TickType_t ) 0) != pdTRUE) 
            printf("Failed to enqueue message_queue. Queue full.");
            /* If data sent successfully, then free the pointer in `xQueueReceive'
            * after processing it. Or else if enqueue in not successful, free it
            * here. */
            free(message_data.q_data);
        

        vTaskDelay(1000 / portTICK_RATE_MS);
    
    


void app_main(void)

    message_data_t message_data;
    message_queue = xQueueCreate(15, sizeof(message_data_t));
    if (message_queue == NULL) 
        printf("Queue creation failed\\n");
        return;
    

    xTaskCreate(&msg_queue_send_task, "msg_queue_send_task", 2048, NULL, 6, NULL);

    while(1)
    
        if (xQueueReceive(message_queue, &message_data, portMAX_DELAY) != pdPASS) 
            printf("Queue receive error");
         else 
            printf("message_data len:%d\\n",message_data.q_data_len);
            printf("message_data[0]=%d message_data[%d]=%d\\n",message_data.q_data[0],
                message_data.q_data_len-1,message_data.q_data[message_data.q_data_len-1]);
                free(message_data.q_data);
        
    

整份代码看懂了API的使用是超级简单的，就是创建一个task,然后在task中每隔1s往消息队列中塞一个数据，塞得数据是这样子，数据的长度是随机1~255，然后buffer中所有的数据等于长度，然后主循环中一直接收数据，并打印出来

参考内容：野火FreeRTOS内核实现与应用实战