细说STM32单片机FreeRTOS消息缓冲区及其应用实例

目录

一、消息缓冲区功能概述

二、消息缓冲区操作相关函数

1、相关函数概述

2、部分函数详解

（1）创建消息缓冲区

（2）写入消息

（3）读取消息

（4）消息缓冲区状态查询

三、消息缓冲区使用示例

1、示例功能与CubeMX项目设置

（1）RCC、SYS、Code Generator、USART3、TIM6

（2）RTC的设置

（3）FreeRTOS的设置

（4）NVIC

2、程序功能实现

（1）主程序

（2）FreeRTOS对象初始化

（3）RTC的唤醒中断

（4）任务Task_Show的功能

3、运行调试

一、消息缓冲区功能概述

        消息缓冲区(message buffer)是基于流缓冲区实现的，也就是它的实现使用了流缓冲区的技术，如同信号量是基于队列实现的。与流缓冲区的差异在于：消息缓冲区传输的是可变长度的消息，如10字节、20字节或35字节的消息。写入者向消息缓冲区写入一个10字节的消息，读取者也必须以10字节的消息读出，而不是像流缓冲区那样，按字节流读出。

        每个消息都有一个消息头，就是消息数据的字节数。在STM32 MCU上，消息头就是一个uint32_t类型的整数。消息头的写入和读取是由FreeRTOS的API函数自动处理的，例如，向消息缓冲区写入一个长度为20字节的消息，实际占用空间是24字节。

        消息缓冲区没有触发水平，写入和读取都是以一条消息为单位的，操作要么成功，要么失败。

        消息缓冲区的其他特性与流缓冲区一样。例如：在只有一个写入者和一个读取者的情况下，可以安全操作消息缓冲区；如果有多个写入者或多个读取者，读写消息缓冲区的代码必须在临界代码段内，且等待时间必须设置为0。

二、消息缓冲区操作相关函数

1、相关函数概述

        消息缓冲区相关函数的头文件message_buffer.h，源程序都在文件stream_buffer.c里，因为消息缓冲区是基于流缓冲区实现的，要在程序中使用消息缓冲区，需包含头文件message_buffer.h。

分组

函数

功能

创建

和
删除

xMessageBufferCreate()

创建一个消息缓冲区，只需设置缓冲区大小

xMessageBufferCreateStatic()

创建一个消息缓冲区，静态分配内存

vMessageBufferDelete()

删除一个消息缓冲区

xMessageBufferReset()

复位一个消息缓冲区，清空数据。只有没有任务在阻塞状态下读或写消息缓冲区时，才可以复位消息缓冲区

写入

xMessageBufferSend()

向消息缓冲区发送一个消息

xMessageBufferSendFromISR()

xMessageBufferSend()的ISR版本

读取

xMessageBufferReceive()

从消息缓冲区接收一条消息

xMessageBufferReceiveFromISR()

xMessageBufferReceive()的ISR版本

状态

查询

xMessageBufferIsEmpty()

查询消息缓冲区是否为空，返回值pdTRUE表示无任何消息

xMessageBufferIsFull()

查询消息缓冲区是否满了，返回值pdTRUE表示不能
再写入任何消息

xMessageBufferSpacesAvailable()

查询消息缓冲区的剩余存储空间

        与流缓冲区不同的是：消息缓冲区无须设置触发水平，在写入或读取消息超时的时候，实际写入或读取的数据字节数为0，不会只写入或读取部分数据。

2、部分函数详解

（1）创建消息缓冲区

        用于创建消息缓冲区的函数是xMessageBufferCreate()，这是个宏函数，其原型定义如下：

/**
* \defgroup xMessageBufferCreate xMessageBufferCreate
* \ingroup MessageBufferManagement
*/
#define xMessageBufferCreate( xBufferSizeBytes ) ( MessageBufferHandle_t ) xStreamBufferGenericCreate( xBufferSizeBytes, ( size_t ) 0, pdTRUE )

        调用函数xMessageBufferCreate()时，只需传递缓冲区大小xBufferSizeBytes。这个函数实际上调用了函数xStreamBufferGenericCreate()，传递的触发水平参数为0，因为消息缓冲区没有触发水平，最后的参数pdTRUE表示要创建的是消息缓冲区。

        函数xMessageBufferCreate()的返回值是MessageBufferHandle_t类型的，就是所创建的消息缓冲区对象指针。

（2）写入消息

        用于向消息缓冲区写入消息的函数是xMessageBufferSend()，这是个宏函数，其原型定义如下：

/**
* \defgroup xMessageBufferSend xMessageBufferSend
* \ingroup MessageBufferManagement
*/
#define xMessageBufferSend( xMessageBuffer, pvTxData, xDataLengthBytes, xTicksToWait ) xStreamBufferSend( ( StreamBufferHandle_t ) xMessageBuffer, pvTxData, xDataLengthBytes, xTicksToWait )

        实际上，它是执行了流缓冲区写入数据的函数xStreamBufferSend()。函数中各参数的意义如下。

  • xMessageBuffer，所操作的消息缓冲区的句柄。
  • pvTxData，准备写入的数据缓冲区指针。
  • xDataLengthBytes，消息数据的字节数，不包括消息头的4字节。
  • xTicksToWait，等待的节拍数，如果消息缓冲区没有足够的空间用于写入这条消息，任务可以进入阻塞状态等待。若设置为0，则表示不等待；若设置为portMAX_DELAY，则表示一直等待。

        函数xStreamBufferSend()内部会判断传递来的缓冲区对象的类型。如果是消息缓冲区，就在实际写入数据前面加上一个uint32_t类型的整数，表示消息的字节数；如果是流缓冲区，就直接写入数据。

        函数xMessageBufferSend()的返回值是实际写入消息的字节数，不包括消息头的4字节。如果函数是因为等待超时而退出的，则返回值为0;如果写入成功，返回值就是写入的消息数据的字节数。这是与流缓冲区不同的一个地方，使用函数xStreamBufferSend()向流缓冲区写入数据时，如果因等待超时而退出，仍然可能向流缓冲区写入了一些数据。

        在ISR中，向消息缓冲区写入消息的函数是xMessageBufferSendFromISR()，它是个宏函数，实际就是执行了函数xStreamBufferSendFromISR()，其原型定义如下：

/**
* \defgroup xMessageBufferSendFromISR xMessageBufferSendFromISR
* \ingroup MessageBufferManagement
*/
#define xMessageBufferSendFromISR( xMessageBuffer, pvTxData, xDataLengthBytes, pxHigherPriorityTaskWoken ) xStreamBufferSendFromISR( ( StreamBufferHandle_t ) xMessageBuffer, pvTxData, xDataLengthBytes, pxHigherPriorityTaskWoken )

（3）读取消息

        用于从消息缓冲区读取消息的函数是xMessageBufferReceive()，其原型定义如下：

/**
* \defgroup xMessageBufferReceive xMessageBufferReceive
* \ingroup MessageBufferManagement
*/
#define xMessageBufferReceive( xMessageBuffer, pvRxData, xBufferLengthBytes, xTicksToWait ) xStreamBufferReceive( ( StreamBufferHandle_t ) xMessageBuffer, pvRxData, xBufferLengthBytes, xTicksToWait )

        它就是执行了函数xStreamBufferReceive()。函数中各参数的意义如下。

  • xMessageBuffer，所操作的消息缓冲区的句柄。
  • pvRxData，保存读出数据的缓冲区指针。
  • xBufferLengthBytes，缓冲区pvRxData的长度，也就是最大能读取的字节数。
  • xTicksToWait，等待的节拍数。如果消息缓冲区里没有消息，任务可以进入阻塞状态等待。若设置为0，则表示不等待；若设置为portMAX_DELAY，则表示一直等待。

        函数xStreamBufferReceive()会自动区分参数xMessageBuffer是流缓冲区，还是消息缓冲区。如果是消息缓冲区，它会先读取表示消息长度的4字节消息头，然后按照长度读取后面的消息数据。

        函数xMessageBufferReceive()返回的是实际读取的消息的字节数，不包括消息头的4字节。如果函数是因为等待超时而退出的，则返回值为0。

        在ISR中从消息缓冲区读取消息的函数是xMessageBufferReceiveFromISR()，它是个宏函数，实际就是执行了函数xStreamBufferReceiveFromISR()，其原型定义如下：

/**
* \defgroup xMessageBufferReceiveFromISR xMessageBufferReceiveFromISR
* \ingroup MessageBufferManagement
*/
#define xMessageBufferReceiveFromISR( xMessageBuffer, pvRxData, xBufferLengthBytes, pxHigherPriorityTaskWoken ) xStreamBufferReceiveFromISR( ( StreamBufferHandle_t ) xMessageBuffer, pvRxData, xBufferLengthBytes, pxHigherPriorityTaskWoken )

（4）消息缓冲区状态查询

        以下几个查询消息缓冲区状态的函数，只需使用消息缓冲区的句柄作为函数的输入参数。

  • xMessageBufferIsEmpty()查询一个消息缓冲区是否为空，若返回pdTRUE，则表示缓冲区不包含任何消息。
  • xMessageBufferIsFull()查询一个消息缓冲区是否已满，若返回pdTRUE，则表示不能再写入任何消息。
  • xMessageBufferSpacesAvailable()查询一个消息缓冲区剩余的存储空间字节数，返回值类型为uint32_t。

三、消息缓冲区使用示例

1、示例功能与CubeMX项目设置

        本示例演示消息缓冲区的使用，实例的功能和使用流程如下。

  • 创建一个消息缓冲区和一个任务Task_Show。
  • 使用RTC的唤醒中断，唤醒周期为1s。在RTC的唤醒中断里读取当前时间，转化为字符串后，作为消息写入消息缓冲区，每次写入的消息长度不一样。
  • 在任务Task_Show里读取消息缓冲区的消息，并在串口助手上显示。

  • 继续使用旺宝红龙开发板STM32F407ZGT6 KIT V1.0。

  • 一些设置可以参考本文作者写的其他文章：

        细说STM32单片机FreeRTOS流缓冲区及其应用实例-CSDN博客  https://wenchm.blog.csdn.net/article/details/148168854?spm=1011.2415.3001.5331

（1）RCC、SYS、Code Generator、USART3、TIM6

        配置时钟树，将APB1定时器时钟频率设置为84MHz，APB2定时器时钟频率设置为168MHz ；设置TIM6作为基础时钟源；其它设置可见参考文章。

（2）RTC的设置

        启用LSE，启用RTC，在时钟树上将LSE作为RTC的时钟源。启用周期唤醒功能，设置唤醒周期为1s，其他参数用默认值即可。

 

（3）FreeRTOS的设置

        设置FreeRTOS接口为CMSIS_V2，所有“Config”和“Include”参数保持默认值。在FreeRTOS里创建一个任务Task_Show，其主要参数如图所示。

（4）NVIC

        在NVIC里开启RTC唤醒中断，设置其中断优先级为5，因为要在其ISR里使用FreeRTOS API函数。

2、程序功能实现

（1）主程序

        完成设置后，CubeMX自动生成代码。在CubeIDE中打开项目，添加用户功能代码后，主程序代码如下：

/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "main.h"
#include "cmsis_os.h"
#include "rtc.h"
#include "usart.h"
#include "gpio.h"/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);
void MX_FREERTOS_Init(void);/*** @brief  The application entry point.* @retval int*/
int main(void)
{/* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */HAL_Init();/* Configure the system clock */SystemClock_Config();/* Initialize all configured peripherals */MX_GPIO_Init();MX_RTC_Init();MX_USART3_UART_Init();/* USER CODE BEGIN 2 *///Start Menuuint8_t startstr[] = "Demo9_2:Using Message Buffer.\r\n\r\n";HAL_UART_Transmit(&huart3,startstr,sizeof(startstr),0xFFFF);/* USER CODE END 2 *//* Init scheduler */osKernelInitialize();/* Call init function for freertos objects (in cmsis_os2.c) */MX_FREERTOS_Init();/* Start scheduler */osKernelStart();/* We should never get here as control is now taken by the scheduler *//* Infinite loop *//* USER CODE BEGIN WHILE */while (1){/* USER CODE END WHILE *//* USER CODE BEGIN 3 */}/* USER CODE END 3 */
}

（2）FreeRTOS对象初始化

        自动生成的函数MX_FREERTOS_Init()只创建了任务，在CubeMX里不能可视化地创建消息缓冲区，需要在CubeMX生成的CubeIDE初始代码的基础上，编程创建消息缓冲区。在文件freertos.c中定义两个常量和消息缓冲区对象，在函数MX_FREERTOS_Init()中增加创建消息缓冲区对象的代码。完成后的代码如下：

        自动生成includes，并手动添加私有includes： 

/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "main.h"
#include "cmsis_os.h"/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "message_buffer.h"
#include "usart.h"
#include <stdio.h>		//用到函数sprintf()
#include <string.h>		//用到函数strlen()
/* USER CODE END Includes */

        手动添加私有宏定义：

/* Private define ------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PD */
#define	MSG_BUFFER_LEN	50		//消息缓存区长度，单位：字节
#define	MSG_MAX_LEN		20		//消息最大长度，单位：字节
/* USER CODE END PD */

        手动添加创建消息缓冲区句柄变量代码；

        自动生成任务函数句柄变量代码：

/* Private variables ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Variables */
MessageBufferHandle_t  msgBuffer;		//消息缓存区句柄变量
/* USER CODE END Variables */
/* Definitions for Task_Show */
osThreadId_t Task_ShowHandle;
const osThreadAttr_t Task_Show_attributes = {.name = "Task_Show",.stack_size = 256 * 4,.priority = (osPriority_t) osPriorityNormal,
};/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN FunctionPrototypes *//* USER CODE END FunctionPrototypes */void AppTask_Show(void *argument);void MX_FREERTOS_Init(void); /* (MISRA C 2004 rule 8.1) *//*** @brief  FreeRTOS initialization* @param  None* @retval None*/
void MX_FREERTOS_Init(void) 
{/* Create the thread(s) *//* creation of Task_Show */Task_ShowHandle = osThreadNew(AppTask_Show, NULL, &Task_Show_attributes);/* USER CODE BEGIN RTOS_THREADS *//* add threads, ... */msgBuffer=xMessageBufferCreate(MSG_BUFFER_LEN);		//创建消息缓存区/* USER CODE END RTOS_THREADS */
}

（3）RTC的唤醒中断

        在RTC的唤醒中断里读取当前时间，将其转换为字符串后写入消息缓冲区。RTC唤醒中断的回调函数是HAL_RTCEx_WakeUpTimerEventCallback()。为便于使用消息缓冲区句柄变量msgBuffer，在文件freertos.c中重新实现这个回调函数：

/* Private application code --------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Application */
void HAL_RTCEx_WakeUpTimerEventCallback(RTC_HandleTypeDef *hrtc)
{RTC_TimeTypeDef sTime;RTC_DateTypeDef sDate;if (HAL_RTC_GetTime(hrtc, &sTime,  RTC_FORMAT_BIN) != HAL_OK)return;if (HAL_RTC_GetDate(hrtc, &sDate,  RTC_FORMAT_BIN) !=HAL_OK)return;char dtArray[MSG_MAX_LEN];   						//存储消息的数组， MSG_MAX_LEN=20if ((sTime.Seconds % 2)==0)  						//分奇偶秒，发送不同长度的消息字符串siprintf(dtArray,"Seconds = %u",sTime.Seconds);	//转换为字符串,自动加'\0'elsesiprintf(dtArray,"Minute= %u",sTime.Minutes);	//转换为字符串,自动加'\0'uint8_t bytesCount=strlen(dtArray);					//字符串长度，不带最后的结束符BaseType_t  highTaskWoken=pdFALSE;if (msgBuffer != NULL){uint16_t  realCnt=xMessageBufferSendFromISR(msgBuffer,dtArray, bytesCount+1, &highTaskWoken);  // bytesCount+1，带结束符'\0'printf("Write bytes=   %d\r\n", realCnt);		 //实际写入消息长度portYIELD_FROM_ISR(highTaskWoken);				 //申请进行一次任务调度}
}int __io_putchar(int ch)
{HAL_UART_Transmit(&huart3,(uint8_t*)&ch,1,0xFFFF);return ch;
}
/* USER CODE END Application */

        上述程序首先读取RTC的时间和日期，根据当前时间的秒数是奇数还是偶数，生成不同长度的字符串数据并保存到数组dtArray里。这里用到了C语言标准库中的两个函数siprintf()和strlen()。siprintf()与printf()类似，只是把字符串写入一个数组，并且在字符串最后自动添加结束符\0。strlen()用于得到字符串的长度，但是不包括最后的结束符。

        在使用函数xMessageBufferSendFromISR()向消息缓冲区写入消息时，执行的代码如下：

uint16_t realCnt = xMessageBufferSendFromISR(msgBuffer,dtArray,bytesCount+1,&highTaskwoken);

        这里传递的第3个参数值是bytesCount+1，也就是加上了字符串的结束符，否则，读取者读出的消息字符串将不带结束符，串口助手将无法正常显示字符串。bytesCount+1的值必须小于或等于MSG_MAX_LEN。

        函数的返回值realCnt是实际写入的消息长度，不带消息头的4个字节。如果消息写入成功，那么realCnt等于bytesCount+1。

        这里写入消息的数据是字符串，这只是为了演示方便，实际写入消息的数据可以是任意类型的数据，而不一定是字符串。

（4）任务Task_Show的功能

        在任务Task_Show里读取消息缓冲区里的消息，并在串口助手上显示，其任务函数代码如下：

/* USER CODE BEGIN Header_AppTask_Show */
/*** @brief  Function implementing the Task_Show thread.* @param  argument: Not used* @retval None*/
/* USER CODE END Header_AppTask_Show */
void AppTask_Show(void *argument)
{/* USER CODE BEGIN AppTask_Show *//* Infinite loop */uint8_t dtArray[MSG_MAX_LEN];								//读出的数据临时保存数组for(;;){uint16_t realCnt=xMessageBufferReceive(msgBuffer, dtArray,MSG_MAX_LEN, portMAX_DELAY);					//读取消息printf("Read message bytes  =  %d\r\n", realCnt);		//实际读出字节数printf("message string Read =  %s\r\n", dtArray);		//显示读出的消息字符串}/* USER CODE END AppTask_Show */
}

        上述程序用函数xMessageBufferReceive()读取消息缓冲区里的消息，然后在串口助手上显示实际读取的消息长度和消息字符串。调用函数xMessageBufferReceive()的代码如下：

uint16_t realCnt = xMessageBufferReceive(msgBuffer,dtArray,MSG_MAX_LEN,portMAX_DELAY);

        其中，dtArray是用于存储读出数据的uint8_t类型数组，传递的第3个参数是MSG_MAX_LEN,也就是最大可以读取的消息的长度。函数返回值realCnt是实际读取的消息的长度，不包括消息头的4个字节。MSG_MAX_LEN应该大于或等于realCnt，否则，会导致无法读出一条完整的消息。

3、运行调试

        构建项目后，下载到开发板上并运行测试，会发现显示的写入消息长度和读出消息长度是一致 的，串口助手上显示的消息字符串也是正确的，说明可以写入和读出不同长度的消息。在实际使用消息缓冲区时，写入者和读取者之间应该定义好消息的格式，如同串口通信一样定义通信协议。

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