【小黑嵌入式系统第十五课】μC/OS-III程序设计基础（四）——消息队列（工作方式&数据通信&生产者消费者模型）、动态内存管理、定时器管理

上一课：
【小黑嵌入式系统第十四课】μC/OS-III程序设计基础（三）——信号量（任务同步&资源同步）、事件标记组（与&或&多个任务）

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1 消息队列

1.1 简介

一个任务或者ISR有时需要和另一个任务交流信息，这个信息传递的过程称为任务间（或ISR与任务间）的通信。有两种途径可实现：全局变量、消息队列。

方式1：通过全局变量

全局变量为共享资源，每个任务或ISR在使用它时都必须保证对其的独占性。若有ISR参与使用，则唯一能保证对共享变量独占访问的方法就是关中断；如果只是任务间共享全局变量，则可通过——关中断、给调度器上锁、使用信号量或者互斥信号量。

（这里假定对全局变量的操作不能在一条CPU指令中完成）

注意：
任务要想与ISR通信（发送信息?ISR，注意方向），只能通过全局变量；
若ISR修改了全局变量值，任务并不能知道，除非ISR通知任务（如发送信号量等方式），或者任务定期地查询全局变量的值。

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方式2：通过消息队列

消息可以通过消息队列作为中介发送给任务，也可直接发送给任务（μC/OS-III中，每个任务都有其内建的消息队列，称为任务消息队列，任务消息队列在任务创建时自动建立）。

• 当有多个任务在等待消息的时候，使用外部的消息队列；
• 如果只有一个任务需要接收消息，可以使用该任务的任务消息队列直接向其发送消息。

任务在等待消息时不占用CPU时间

另外需注意：发送的消息不会被复制一份再放置到消息队列中，而是使用引用传递。因此需保证消息内容在接收消息的任务代码内可见。（不能在任务接收到消息时，该消息内容已无效了(如用自动变量保存消息内容而此时自动变量却已被释放)）

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消息队列就象一个类似于缓冲区的对象，可以实现同步和数据通信。

消息队列具有一定的容量，可以容纳多条消息。

消息队列中的消息一般按照先入先出（FIFO）的方式放置，但在需要时也可安排为后入先出（LIFO，在发布消息时选择）。

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1.1.1 向消息队列发送消息

当任务往消息队列中发送消息时，可选择只将该消息发送给一个任务。当前等待消息的任务中只有最高优先级的那个将接收到消息，或最先进入等待消息列表的（同优先级）任务。

注：也可选择以广播的形式发送消息，那么所有“等待此消息的”任务都将获得该消息。

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如果没有任务在等待消息队列的消息，则发送消息时会判断消息队列当前是否已满 。

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1.1.2 从消息队列接收消息

消息队列中已存在消息，通过内核服务将消息传递给等待消息的任务中优先级最高的任务，或最先进入等待消息任务列表的（同优先级）任务。

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如果消息队列为空，则等待消息的任务被放入等待消息的任务列表中，直到有其它任务向消息队列发送消息后，该任务才能结束等待状态或在等待超时的情况下运行。

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OSQPend()函数允许用户定义一个最长的等待时间Timeout作为它的参数，这样可以避免该任务无休止地等待下去。

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内核提供以下消息队列服务：

• 等待消息的到来（PEND）；
• 将消息放入队列中去（POST）；
• 清空消息队列
• 消息队列初始化，队列初始化时总是清为空；

与信号量相比，消息队列不仅可以实现同步，而且通过缓冲的方式来传递多个数据信息，从而避免了信息的丢失或混乱。

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1.2 消息队列的状态

消息队列有3种状态，即空状态（消息队列中没有任何消息）、满状态（消息队列中的每个存储单元都存放了消息）、正常状态（消息队列中消息但又没有到满的状态）。

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1.3 消息队列的工作方式

1.一对一

2.多对一

3.一对多

多对多与全双工的工作方式也可实现，但不常见。

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1.3 数据通信

让一个LED以传递过来的参数确定点亮时间，以此示例来说明如何使用消息队列来实现任务之间的数据通信，假设TaskLED为高优先级的任务。两个任务的处理流程如下。

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LED任务的代码如下。

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发送延时参数任务SendDly的代码如下。

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1.4 多任务接收数据

为了说明如何使用消息队列来实现多任务接收数据，我们设计一个系统，按键一按下，LED按照指定节奏闪烁，蜂鸣器按照指定节奏鸣响。三个任务的处理流程如下。

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1.5 任务间同步

TaskKEY任务主要代码如下。

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LED任务的代码如下。

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Beep任务主要代码如下。

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1.6 任务消息队列

在μC/OS-III中，每个任务都有它自己的内嵌消息队列，称为任务消息队列。任务消息队列是在任务创建OSTaskCreate()时创建的，因此任务创建之后便可以直接使用。

任务消息队列使用起来更方便。

当用户明确知道该给哪个任务发消息时，此时就可以使用任务消息队列。

μC/OS-III中的任务消息队列服务函数以OSTaskQ???()命名。

使用任务消息队列做任务间的通信，可参考示例程序：“Micrium_CY8CKIT-050B_uCOS-III-Q_GNU(PSoC Creator 4.0).rar”

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1.7生产者消费者模型

使用一个计数型信号量，初值为允许生产者发布的消息数目。如：消费者最多缓存10则消息，则该计数型信号量的初值为10。

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2 动态内存管理

2.1 简介

ANSI C中，可以使用malloc()和free()两个函数来动态分配内存，在嵌入式系统中，它们一般也是可用的，但并不适合。如图为被两个函数分配过的内存区。

为了避免上面的问题，μC/OS-III自己设计了一套动态内存分配系统。μC/OS-III的动态内存分配是以块为单位分配的，一次只能分配一个块，块的大小可以由用户来定义。

μC/OS-III的动态内存管理是数据队列的绝佳伴侣，配合使用异常方便 。

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2.2 函数列表

将os_cfg.h中的宏OS_CFG_MEM_EN设置为1即可使能存储管理服务。

动态内存管理的3个系统函数：

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2.3 数据通信

让一个LED以传递过来的参数确定点亮时间，以此示例来说明如何用动态内存管理来实现数据通信。两个任务的处理流程如下。

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LED任务的代码如下。

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发送消息任务SendDly的代码如下。

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3 定时器管理

3.1 简介

μC/OS-III可为应用程序提供定时器及相关服务，它和系统内部任务“定时器任务”相关，定时器服务的启动由os_cfg.h中的宏OS_CFG_TMR_EN设定。

这里的定时器是软件方式实现的递减定时器，共用时钟节拍任务中的时钟节拍硬件定时器。因此时间分辨率不会超过时钟节拍定时器。通常设置为比较粗的时间分辨率。

定时器的计数值减为0时，会引发一个操作，该操作由操作系统调用一个用户定义的回调函数（运行在定时器任务环境中）来实现。

定时器的使用比较简单，详情请见μC/OS-III电子书的第12章“定时器管理”。

关于（软件）定时器的使用，可参考示例程序：
“Micrium_CY8CKIT-050B_uCOS-III-Sem-ISR-Tmr_GNU(PSoC Creator 4.0).rar”

关于任务信号量、任务消息队列，最后提供一个实际应用示例项目：
“CY8CKIT-050B_uCOS-III-DispShift-TkQ_GNU(PSoC Creator 4.0).rar”

该项目基于μC/OS-III 操作系统实现，它使用LCD1602，演示了当 LCD 显示区域不足以显示出全部文字时，如何对 LCD 显示内容进行循环移动，分批显示出文字的各个部分。在无操作系统的情况下，要实现令人满意的同样效果，则会遇到许多不易解决的麻烦。

LCD 的显示内容可以在运行时更改，通过给 LCD 显示任务发任务消息的方式来告知新的显示数据和请求源的属性。

程序适用于具有1~4行显示能力的、HD44780 控制器兼容的 LCD 模块。