RTOS消息隊列的多種用途

RTOS 是一種軟件，可以盡可能高效地管理中央處理單元 （CPU）、微處理單元 （MPU） 甚至數(shù)字信號處理器 （DSP） 的時間。大多數(shù) RTOS 內(nèi)核都是用 C 編寫的，需要一小部分用 ASSEMBLY 語言編寫的代碼來使內(nèi)核適應(yīng)不同的 CPU 架構(gòu)。

RTOS 內(nèi)核為程序員提供了許多有用的服務(wù)，例如多任務(wù)處理、中斷管理、通過消息隊列的任務(wù)間通信、信令、資源管理、時間管理、內(nèi)存分區(qū)管理等等。

應(yīng)用程序（即最終產(chǎn)品）基本上分為多個任務(wù)，每個任務(wù)負責應(yīng)用程序的一部分。任務(wù)是一個簡單的程序，它認為它自己擁有 CPU。每個任務(wù)都根據(jù)任務(wù)的重要性分配一個優(yōu)先級。

什么是消息隊列？

如圖 1 所示，消息隊列是一個內(nèi)核對象（即數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)），消息通過它從中斷服務(wù)例程 （ISR） 或任務(wù)發(fā)送（即，發(fā)布）到另一個任務(wù)（即，掛起）。一個應(yīng)用程序可以有任意數(shù)量的消息隊列，每個隊列都有自己的用途。例如，消息隊列可用于將從通信接口 ISR 接收到的數(shù)據(jù)包傳遞給任務(wù)，該任務(wù)又負責處理數(shù)據(jù)包。另一個隊列可用于將內(nèi)容傳遞給將負責正確更新顯示的顯示任務(wù)。

圖 1.消息隊列是用于將內(nèi)容傳遞給任務(wù)的內(nèi)核對象。

消息通常是指向包含實際消息的存儲區(qū)域的空指針。但是，指針可以指向任何東西，甚至是接收任務(wù)要執(zhí)行的函數(shù)。因此，消息的含義取決于應(yīng)用程序。每個消息隊列都可以配置其將容納的存儲量?？梢詫⑾㈥犃信渲脼楸４鎲蝹€消息（也稱為郵箱）或N條消息。隊列的大小取決于應(yīng)用程序以及接收任務(wù)在隊列填滿之前處理消息的速度。

如果一個任務(wù)掛起（即等待）一條消息并且隊列中沒有消息，那么該任務(wù)將阻塞，直到一條消息被發(fā)布（即發(fā)送）到隊列中。由于 RTOS 運行其他任務(wù)，因此等待任務(wù)在等待消息時不消耗 CPU 時間。如圖 1 所示，掛起的任務(wù)可以指定一個超時時間。如果在指定的超時時間內(nèi)沒有收到消息，則當該任務(wù)成為最高優(yōu)先級任務(wù)時，將允許該任務(wù)恢復(fù)執(zhí)行（即解除阻塞）。當任務(wù)執(zhí)行時，它基本上被告知它被恢復(fù)的原因是因為超時，因此沒有收到消息。

消息隊列通常實現(xiàn)為先進先出 （FIFO），這意味著接收到的第一條消息將是從隊列中提取的第一條消息。但是，某些內(nèi)核允許您發(fā)送被認為比其他內(nèi)核更重要的消息，因此可以在隊列的頭部發(fā)布。換句話說，按照后進先出 （LIFO） 的順序，使該消息成為任務(wù)提取的第一個消息。

消息隊列的一個重要方面是消息本身需要從發(fā)送到處理期間保持在范圍內(nèi)。這意味著您不能將指針傳遞給堆棧變量、可以被其他代碼更改的全局變量等等。為了使消息保持在范圍內(nèi)，您通常會填充從池中獲取的結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。發(fā)送消息的 ISR 或任務(wù)將從池中獲取一個結(jié)構(gòu)，填充該結(jié)構(gòu)，并將指向該結(jié)構(gòu)的指針發(fā)布到隊列中。接收任務(wù)將從隊列中提取指針，處理結(jié)構(gòu)，完成后將結(jié)構(gòu)返回到池中。當然，發(fā)送方和接收方都需要使用同一個池，除非數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的字段指示使用了哪個池。

圖 2.消息存儲區(qū)池

在 RTOS 中消息隊列的許多實現(xiàn)中，如果隊列已滿，發(fā)送到隊列的消息將被丟棄。通常這不是問題，應(yīng)用程序的邏輯可以從這種情況中恢復(fù)。但是，實現(xiàn)一種機制相當容易，這樣發(fā)送任務(wù)將阻塞，直到接收方提取其中一條消息，如圖 3 所示：

1.計數(shù)信號量初始化為隊列可以接受的最大條目數(shù)對應(yīng)的值。

2.在允許發(fā)送消息到隊列之前，發(fā)送任務(wù)在信號量上掛起。如果信號量值為零，則發(fā)送方等待。

3.如果該值非零，則信號量計數(shù)遞減，并且發(fā)送方將其消息發(fā)布到隊列中。

4.消息的接收者像往常一樣在消息隊列中掛起一個。

5.當接收到消息時，接收者從隊列中提取指向消息的指針并向信號量發(fā)出信號，表明隊列中的條目已被釋放。

圖 3.如果隊列已滿，則阻止發(fā)送者。

如圖所示，此機制僅適用于兩個任務(wù)，因為不允許 ISR 掛在信號量上。

消息隊列的其他用途

圖 4 顯示了消息隊列的不同用途：

1-4。如前所述，消息隊列通常用于將消息從 ISR 或任務(wù)發(fā)送到另一個任務(wù)。

5.但是，如果消息適合指針的字長，則不必發(fā)送實際消息并分配存儲區(qū)域。例如，如果指針是 32 位寬，那么您可以將從 12 位 ADC 讀取的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 轉(zhuǎn)換為指針并通過消息隊列發(fā)送它。只要接收者知道將值轉(zhuǎn)換回整數(shù)，它就是完全合法的。

6-7。如果任務(wù)知道消息不會發(fā)送給它，它可以使用超時機制將自己延遲一段時間。在這種情況下，能夠容納單個條目的隊列就足夠了。事實上，如果另一個任務(wù)或 ISR 發(fā)送消息，延遲將被中止，這可能是您想要實現(xiàn)的行為。

8.消息隊列可以用作信號量來簡單地向任務(wù)發(fā)出事件發(fā)生的信號。在這種情況下，消息可以是任何東西。隊列的大小取決于應(yīng)用程序需要緩沖多少信號。

9-10。消息隊列也可以用作二進制信號量或計數(shù)信號量以進行資源共享。對于二進制信號量，隊列將包含單個消息，并且將在隊列中放置一條消息（任何值）。要訪問資源，任務(wù)將在隊列中掛起。如果隊列中有消息，則任務(wù)將獲得對資源的訪問權(quán)。一旦完成資源，隊列將被發(fā)布，從而根據(jù)需要放棄資源以供其他任務(wù)使用。相同的機制適用于實現(xiàn)具有N個 資源的計數(shù)信號量，并且隊列將預(yù)先填充N個 虛擬消息。

11.消息實際上可用于模擬事件標志，其中 32 位指針大小變量（轉(zhuǎn)換為整數(shù)）的每一位都可以表示一個事件。

12.可以使用消息隊列來實現(xiàn)棧結(jié)構(gòu)。這基本上是 LIFO 機制的另一種用法。

圖 4.消息隊列的許多用途中的一些。

概括

消息隊列可以以多種不同的方式使用。事實上，您可以編寫可能只使用消息隊列的相當復(fù)雜的應(yīng)用程序。僅使用消息隊列可以減少代碼的大?。凑加每臻g），因為可以模擬許多其他服務(wù)（信號量、時間延遲和事件標志）。

審核編輯：郭婷