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嵌入式環(huán)形隊(duì)列和消息隊(duì)列是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存和通信的常見數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中的通信協(xié)議和領(lǐng)域。
環(huán)形隊(duì)列是一種先進(jìn)先出（FIFO）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中數(shù)據(jù)被存儲在一個環(huán)形緩沖區(qū)中。它使用兩個指針，分別指向隊(duì)列的頭和尾，以便在讀寫操作時追蹤隊(duì)列的狀態(tài)。當(dāng)隊(duì)列滿時，新數(shù)據(jù)將覆蓋舊數(shù)據(jù)，以確保隊(duì)列的長度保持不變。環(huán)形隊(duì)列在實(shí)現(xiàn)嵌入式通信協(xié)議時特別有用，例如UART，CAN等。
消息隊(duì)列是一種多個發(fā)送者和接收者之間共享數(shù)據(jù)的通信機(jī)制。它允許多個任務(wù)或線程向隊(duì)列發(fā)送消息，并允許多個任務(wù)或線程從隊(duì)列中接收消息。每個消息都有一個固定的大小和格式，并可以根據(jù)需要進(jìn)行排隊(duì)和檢索。在嵌入式系統(tǒng)中，消息隊(duì)列廣泛用于處理異步事件，例如中斷處理和任務(wù)之間的通信。
主要應(yīng)用于：
- 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議（例如TCP/IP，UDP等）中的數(shù)據(jù)緩存和隊(duì)列管理。
- 嵌入式操作系統(tǒng)（例如FreeRTOS，uC/OS等）中的任務(wù)通信和事件處理。
- 汽車電子領(lǐng)域中的CAN和LIN通信協(xié)議。
- 工業(yè)自動化領(lǐng)域中的Modbus，Profibus等通信協(xié)議。
- 無線通信領(lǐng)域中的藍(lán)牙，Zigbee，LoRa等通信協(xié)議。
大致應(yīng)用
- 串口通信中，可以使用環(huán)形隊(duì)列來接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)接收到新的數(shù)據(jù)時，將其存儲到環(huán)形隊(duì)列中，并在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時從隊(duì)列中取出數(shù)據(jù)發(fā)送。這種方式可以減少中斷處理的時間，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。
- 多任務(wù)系統(tǒng)中，消息隊(duì)列用于任務(wù)之間的通信。每個任務(wù)都可以向消息隊(duì)列中發(fā)送消息，其他任務(wù)可以從隊(duì)列中獲取消息并進(jìn)行相應(yīng)的處理。這種方式可以實(shí)現(xiàn)任務(wù)之間的解耦，提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性。
- 實(shí)時控制系統(tǒng)中，環(huán)形隊(duì)列可以用于緩存傳感器數(shù)據(jù)或控制命令。當(dāng)傳感器或其他設(shè)備向系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)時，可以將其存儲到環(huán)形隊(duì)列中，然后由控制任務(wù)從隊(duì)列中獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)的處理。這種方式可以減少系統(tǒng)對硬件的依賴性，提高系統(tǒng)的靈活性和可靠性。
- 音頻處理中，環(huán)形隊(duì)列可以用于實(shí)現(xiàn)音頻數(shù)據(jù)的緩存。當(dāng)音頻數(shù)據(jù)輸入時，將其存儲到環(huán)形隊(duì)列中，然后由音頻處理任務(wù)從隊(duì)列中獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。這種方式可以實(shí)現(xiàn)音頻數(shù)據(jù)的流式處理，提高系統(tǒng)的處理效率和響應(yīng)速度。
嵌入式環(huán)形隊(duì)列
嵌入式環(huán)形隊(duì)列是一種先進(jìn)先出（FIFO）的隊(duì)列，其實(shí)現(xiàn)基于環(huán)形緩沖區(qū)。隊(duì)列的頭尾指針分別指向隊(duì)列的第一個元素和最后一個元素，當(dāng)隊(duì)列滿時，新加入的元素將覆蓋隊(duì)列頭的元素。嵌入式環(huán)形隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)過程如下：
- 隊(duì)列初始化：初始化頭尾指針為0，表示隊(duì)列為空。
- 入隊(duì)操作：將元素插入隊(duì)列尾部，尾指針加1，如果隊(duì)列滿了，則尾指針回到隊(duì)列開頭，覆蓋頭指針?biāo)赶虻脑亍?/li>
- 出隊(duì)操作：將隊(duì)列頭部元素出隊(duì)，并將頭指針加1，如果隊(duì)列已經(jīng)空了，則頭指針回到隊(duì)列開頭。
嵌入式環(huán)形隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)可以使用數(shù)組或鏈表來實(shí)現(xiàn)。使用數(shù)組時，需要考慮隊(duì)列滿時需要覆蓋隊(duì)列頭的元素，所以需要額外的邏輯來保證正確性。
嵌入式環(huán)形隊(duì)列操作步驟（大致如此）
1）定義一個固定大小的數(shù)組
1#define QUEUE_SIZE 10
2int queue[QUEUE_SIZE];
```2）定義兩個指針，分別指向隊(duì)列的起始位置和末尾位置
1int head = 0; // 隊(duì)列起始位置
2int tail = 0; // 隊(duì)列末尾位置
3）實(shí)現(xiàn)入隊(duì)操作，即將元素添加到隊(duì)列末尾。如果隊(duì)列已滿，則不能再添加元素
1void enqueue(int data) {
2 if ((tail + 1) % QUEUE_SIZE == head) {
3 // 隊(duì)列已滿
4 return;
5 }
6 queue[tail] = data;
7 tail = (tail + 1) % QUEUE_SIZE;
8}
4）實(shí)現(xiàn)出隊(duì)操作，即將隊(duì)列中的元素刪除并返回。如果隊(duì)列為空，則不能執(zhí)行出隊(duì)操作。
1int dequeue() {
2 if (head == tail) {
3 // 隊(duì)列為空
4 return -1;
5 }
6 int data = queue[head];
7 head = (head + 1) % QUEUE_SIZE;
8 return data;
9}
5）實(shí)現(xiàn)查詢隊(duì)列大小的函數(shù)
1int queue_size() {
2 return (tail - head + QUEUE_SIZE) % QUEUE_SIZE;
3}
完整代碼實(shí)現(xiàn)
1#define QUEUE_SIZE 10
2int queue[QUEUE_SIZE];
3int head = 0;
4int tail = 0;
5
6void enqueue(int data) {
7 if ((tail + 1) % QUEUE_SIZE == head) {
8 // 隊(duì)列已滿
9 return;
10 }
11 queue[tail] = data;
12 tail = (tail + 1) % QUEUE_SIZE;
13}
14
15int dequeue() {
16 if (head == tail) {
17 // 隊(duì)列為空
18 return -1;
19 }
20 int data = queue[head];
21 head = (head + 1) % QUEUE_SIZE;
22 return data;
23}
24
25int queue_size() {
26 return (tail - head + QUEUE_SIZE) % QUEUE_SIZE;
27}
嵌入式消息隊(duì)列
嵌入式消息隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)原理
嵌入式消息隊(duì)列通常采用循環(huán)緩沖區(qū)實(shí)現(xiàn)，即使用一個數(shù)組作為緩沖區(qū)，通過頭指針和尾指針來管理隊(duì)列。消息隊(duì)列的基本操作包括入隊(duì)和出隊(duì)
入隊(duì)操作
入隊(duì)操作將一個消息寫入隊(duì)列中，實(shí)現(xiàn)方法如下：
1void queue_push(queue_t *queue, void *data, size_t size)
2{
3 uint32_t next = (queue->tail + 1) % queue->capacity;
4
5 if (next == queue->head) {
6 // 隊(duì)列已滿，不再添加數(shù)據(jù)
7 return;
8 }
9
10 queue_item_t *item = &queue->items[queue->tail];
11 item->size = size;
12 item->data = malloc(size);
13 memcpy(item->data, data, size);
14
15 queue->tail = next;
16}
在入隊(duì)操作中，我們首先檢查隊(duì)列是否已滿。如果隊(duì)列已滿，就直接返回，不再添加數(shù)據(jù)。如果隊(duì)列未滿，則使用尾指針指向的空間來存儲新的數(shù)據(jù)。為了避免新的數(shù)據(jù)覆蓋舊的數(shù)據(jù)，我們需要動態(tài)分配一個新的內(nèi)存空間，將數(shù)據(jù)復(fù)制到該空間中，并將其地址存儲到隊(duì)列的元素中。最后，我們將尾指針往后移動一個位置。
出隊(duì)操作
出隊(duì)操作將一個消息從隊(duì)列中讀取出來，并將其從隊(duì)列中刪除，實(shí)現(xiàn)方法如下
1void queue_pop(queue_t *queue, void *data, size_t *size)
2{
3 if (queue->head == queue->tail) {
4 // 隊(duì)列為空，無法讀取數(shù)據(jù)
5 return;
6 }
7
8 queue_item_t *item = &queue->items[queue->head];
9 *size = item->size;
10 memcpy(data, item->data, *size);
11
12 free(item->data);
13 queue->head = (queue->head + 1) % queue->capacity;
14}
在出隊(duì)操作中，我們首先檢查隊(duì)列是否為空。如果隊(duì)列為空，就直接返回，無法讀取數(shù)據(jù)。如果隊(duì)列非空，則使用頭指針指向的空間來讀取數(shù)據(jù)。我們將元素中存儲的數(shù)據(jù)復(fù)制到指定的地址中，并返回?cái)?shù)據(jù)的大小。最后，我們釋放元素中分配的內(nèi)存空間，并將頭指針往后移動一個位置。
消息示例：
1#include
2#include
3#include
4
5// 消息隊(duì)列結(jié)構(gòu)體
6typedef struct {
7 uint8_t *buf; // 指向隊(duì)列緩存區(qū)的指針
8 uint32_t head; // 隊(duì)頭指針
9 uint32_t tail; // 隊(duì)尾指針
10 uint32_t size; // 隊(duì)列容量
11 uint32_t count; // 當(dāng)前隊(duì)列中的消息數(shù)量
12} message_queue_t;
13
14// 創(chuàng)建一個消息隊(duì)列
15message_queue_t *message_queue_create(uint32_t size) {
16 message_queue_t *mq = (message_queue_t *)malloc(sizeof(message_queue_t));
17 if (mq == NULL) {
18 return NULL;
19 }
20
21 mq->buf = (uint8_t *)malloc(size);
22 if (mq->buf == NULL) {
23 free(mq);
24 return NULL;
25 }
26
27 mq->head = 0;
28 mq->tail = 0;
29 mq->size = size;
30 mq->count = 0;
31
32 return mq;
33}
34
35// 銷毀一個消息隊(duì)列
36void message_queue_destroy(message_queue_t *mq) {
37 if (mq == NULL) {
38 return;
39 }
40
41 if (mq->buf != NULL) {
42 free(mq->buf);
43 }
44
45 free(mq);
46}
47
48// 向消息隊(duì)列中發(fā)送一條消息
49uint32_t message_queue_send(message_queue_t *mq, uint8_t *buf, uint32_t len) {
50 if (mq == NULL || buf == NULL || len == 0) {
51 return 0;
52 }
53
54 // 如果隊(duì)列已滿，則無法發(fā)送消息
55 if (mq->count >= mq->size) {
56 return 0;
57 }
58
59 // 將消息寫入隊(duì)列緩存區(qū)
60 uint32_t i;
61 for (i = 0; i < len; i++) {
62 mq->buf[mq->tail] = buf[i];
63 mq->tail = (mq->tail + 1) % mq->size;
64 }
65
66 // 更新隊(duì)列狀態(tài)
67 mq->count += len;
68
69 return len;
70}
71
72// 從消息隊(duì)列中接收一條消息
73uint32_t message_queue_recv(message_queue_t *mq, uint8_t *buf, uint32_t len) {
74 if (mq == NULL || buf == NULL || len == 0) {
75 return 0;
76 }
77
78 // 如果隊(duì)列為空，則無法接收消息
79 if (mq->count == 0) {
80 return 0;
81 }
82
83 // 讀取隊(duì)列緩存區(qū)中的消息
84 uint32_t i;
85 for (i = 0; i < len && i < mq->count; i++) {
86 buf[i] = mq->buf[mq->head];
87 mq->head = (mq->head + 1) % mq->size;
88 }
89
90 // 更新隊(duì)列狀態(tài)
91 mq->count -= i;
92
93 return i;
94}
95
96// 獲取消息隊(duì)列中的消息數(shù)量
97uint32_t message_queue_count(message_queue_t *mq) {
98 if (mq == NULL) {
99 return 0;
100 }
101
102 return mq->count;
103}
消息隊(duì)列示例說明
上面的示例是一個基于循環(huán)隊(duì)列實(shí)現(xiàn)的簡單嵌入式消息隊(duì)列的代碼實(shí)現(xiàn)，下面詳細(xì)說明其實(shí)現(xiàn)原理：
消息隊(duì)列結(jié)構(gòu)體
定義一個消息隊(duì)列結(jié)構(gòu)體，包含隊(duì)列緩存區(qū)指針、隊(duì)頭指針、隊(duì)尾指針、隊(duì)列容量和當(dāng)前隊(duì)列中的消息數(shù)量等信息
1typedef struct {
2 uint8_t *buf; // 指向隊(duì)列緩存區(qū)的指針
3 uint32_t head; // 隊(duì)頭指針
4 uint32_t tail; // 隊(duì)尾指針
5 uint32_t size; // 隊(duì)列容量
6 uint32_t count; // 當(dāng)前隊(duì)列中的消息數(shù)量
7} message_queue_t;
創(chuàng)建消息隊(duì)列
使用 message_queue_create 函數(shù)創(chuàng)建一個消息隊(duì)列，該函數(shù)會動態(tài)分配一塊內(nèi)存用于存儲消息隊(duì)列結(jié)構(gòu)體和隊(duì)列緩存區(qū)，初始化消息隊(duì)列的各個參數(shù)，并返回一個指向消息隊(duì)列結(jié)構(gòu)體的指針。
1message_queue_t *message_queue_create(uint32_t size) {
2 message_queue_t *mq = (message_queue_t *)malloc(sizeof(message_queue_t));
3 if (mq == NULL) {
4 return NULL;
5 }
6
7 mq->buf = (uint8_t *)malloc(size);
8 if (mq->buf == NULL) {
9 free(mq);
10 return NULL;
11 }
12
13 mq->head = 0;
14 mq->tail = 0;
15 mq->size = size;
16 mq->count = 0;
17
18 return mq;
19}
銷毀消息隊(duì)列
使用 message_queue_destroy 函數(shù)銷毀一個消息隊(duì)列，該函數(shù)會釋放消息隊(duì)列結(jié)構(gòu)體和隊(duì)列緩存區(qū)所占用的內(nèi)存。
1void message_queue_destroy(message_queue_t *mq) {
2 if (mq == NULL) {
3 return;
4 }
5
6 if (mq->buf != NULL) {
7 free(mq->buf);
8 }
9
10 free(mq);
11}
發(fā)送消息
使用 message_queue_send 函數(shù)向消息隊(duì)列中發(fā)送一條消息，該函數(shù)會將消息寫入隊(duì)列緩存區(qū)，并更新隊(duì)列的狀態(tài)，返回實(shí)際寫入隊(duì)列緩存區(qū)的消息長度。
1uint32_t message_queue_send(message_queue_t *mq, uint8_t *buf, uint32_t len) {
2 if (mq == NULL || buf == NULL || len == 0) {
3 return 0;
4 }
5
6 // 如果隊(duì)列已滿，則無法發(fā)送消息
7 if (mq->count >= mq->size) {
8 return 0;
9 }
10
11 // 將消息寫入隊(duì)列緩存區(qū)
12 uint32_t i;
13 for (i = 0; i < len; i++) {
14 mq->buf[mq->tail] = buf[i];
15 mq->tail = (mq->tail + 1) % mq->size;
16 }
17
18 // 更新隊(duì)列狀態(tài)
19 mq->count += len;
20
21 return len;
22}
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