嵌入式实时操作系统中的队列管理与应用

电电侠   坐公交车、办理业务等经常需要排队，计算机系统中也有类似的“队列“概念吗？  

当然。队列被用作进程之间的通信管道,通常是一对一的，如下图所示。

科科君

任务 A 将信息存入队列,任务B以先进先出的方式提取信息。队列通常应足够大,可以承载许多数据,而不仅仅承载单个数据项。因此,它可以充当缓冲或暂存器,为管道提供灵活性。它的优点是插入和提取功能可以异步进行(只要管道没有填满)。它在 RAM 中实现。进程之间传递的信息可能是数据本身,也可能是指向数据的指针。指针通常用于在 RAM 存储受限时处理大量数据。实现队列的技术有两种:链表类型结构和循环缓冲区。

电电侠   想了解下链表的特性。   链表的一个非常有用的特性是它的大小不一定是固定的,而是可以根据需要扩大或缩小。 科科君

此外,可以构建非常大的队列,仅受可用内存空间的限制。但是对于嵌入式系统来说,这些并不是特别的优势。首先,如果 RAM 有限,则根本不可能构造很大的队列。其次,处理多个消息的大型FIFO队列从数据输入到数据输出可能会有较长的传输延迟,就性能而言,对于许多实时应用可能太慢。因此,用于嵌入式的首选队列(通道)结构是循环缓冲区,如下图所示。

电电侠   循环缓存区应该如何设计？  

循环缓冲区通常设计为使用固定数量的内存空间,用来保存一定数量的数据,如上图(a) 所示。

科科君

缓冲区大小是在创建时定义的(例如这里是10个数据单位),但在之后是固定的。使其循环的原因是数据单元0是数据单元9的后继,寻址是使用模9计数器完成的(就像12小时时钟使用模12计算一样)。

电电侠   在读写操作期间,数据如果在通道中移动，时间开销增加怎么办？  

但是,一般来说这会带来不可接受的时间开销。

科科君

这里使用另一种方法,上图(b)展示了如何使用指针来标识存储数据的起始和结束位置(“读取者”和“发送者”)。通过指针,不必在缓冲区中移动数据。插入的数据单元始终位于相同的内存位置,仅需改变指针的值,图(c)和图(d)所示。这些指针也可以用来定义队列满和队列空的条件(当它们相等时)。

电电侠   什么情况下任务会挂起？  

在正常情况下,任务 A 和任务 B异步进行,根据需要从队列中插入和删除数据。任务挂起只在两种情况下发生:队列满和队列空。

科科君

小贴士：内存池和队列之间有一个重要的区别———内存池读取数据不会影响内容,但是从队列读取时会“消耗”数据,即破坏性操作(实际上这只是概念性看法,读指针只是移到了下一个位置)。

队列使用的概要

下方代码清单给出了队列使用的概要。 科科君 01    

/* 基础API */

/* 1. 创建队列 */

FOS_CreateQueue(QLength, QItemSize);

/* 2. 从队列获取消息 */

FOS_GetFromQueue(QName, AddOfQData, QwaitingTime);

/* 3. 向队列发送消息 */

FOS_SendToQueue(QName, AddOfQData, QwaitingTime);

02    

/* 创建一个全局的队列联结发送任务A和接收任务B */

/* 使用RTOS提供的数据类型 */

FOS_QName GlobalQA2B;

FOS_QLength QA2Blength = 1;

FOS_ItemSize QA2BItemSize = 4;

GlobalQA2B = FOS_CreateQueue (QA2Blength, QA2BItemSize);

03    

/* 发送到队列-任务A */

/* 使用RTOS提供的数据类型 */

long DataForQueueA2B;

const FOS_QwaitTime NoWaiting = 0;

FOS_ QloadStatus QLoadState;

QLoadState = FOS_SendToQueue (GlobalQA2B, &DataForQueueA2B, 0);

04    

/* 从队列获取-任务B */

/* 使用RTOS提供的数据类型 */

long DataFromQueueA2B;

const FOS_QwaitTime NoWaiting = 0;

FOS_QreadStatus QreadState;

审核编辑：黄飞