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理解 FreeRTOS 的队列（Queue）实现需要从数据结构、操作接口和底层机制三个层面分析。队列是 FreeRTOS 中最重要的通信机制之一，支持任务间、任务与中断间的数据传递。以下结合源码（以 FreeRTOS v10.4.3 为例）详细讲解：

1. 队列的核心数据结构

源码位置：FreeRTOS/Source/include/queue.h

1.1 队列控制块 `Queue_t`

typedef struct QueueDefinition
{int8_t *pcHead;              // 队列存储区起始地址int8_t *pcWriteTo;           // 下一个写入位置int8_t *pcReadFrom;          // 下一个读取位置List_t xTasksWaitingToSend;  // 等待发送的任务列表（队列满时阻塞）List_t xTasksWaitingToReceive; // 等待接收的任务列表（队列空时阻塞）UBaseType_t uxMessagesWaiting; // 当前队列中的消息数量UBaseType_t uxLength;        // 队列最大容量（消息数量）UBaseType_t uxItemSize;      // 单个消息的字节大小volatile int8_t cRxLock;     // 接收锁（用于从队列读取时的互斥）volatile int8_t cTxLock;     // 发送锁（用于向队列写入时的互斥）
} Queue_t;

1.2 队列存储区

队列的存储区是一个连续的字节数组，每个消息占用 uxItemSize 字节。
示例：若队列长度为 5，每个消息占 4 字节，则存储区大小为 5 * 4 = 20 字节。

2. 队列的创建

源码位置：FreeRTOS/Source/queue.c

2.1 创建函数 `xQueueCreate()`

QueueHandle_t xQueueCreate( UBaseType_t uxQueueLength, UBaseType_t uxItemSize )
{Queue_t *pxNewQueue;size_t xQueueSizeInBytes = uxQueueLength * uxItemSize;// 分配内存：控制块 + 存储区pxNewQueue = ( Queue_t * ) pvPortMalloc( sizeof( Queue_t ) + xQueueSizeInBytes );if( pxNewQueue != NULL ){pxNewQueue->pcHead = ( int8_t * ) ( pxNewQueue + 1 ); // 存储区紧接控制块pxNewQueue->uxLength = uxQueueLength;pxNewQueue->uxItemSize = uxItemSize;pxNewQueue->pcWriteTo = pxNewQueue->pcHead;pxNewQueue->pcReadFrom = pxNewQueue->pcHead;vListInitialise( &( pxNewQueue->xTasksWaitingToSend ) );vListInitialise( &( pxNewQueue->xTasksWaitingToReceive ) );}return pxNewQueue;
}

3. 队列的发送与接收

3.1 发送操作 `xQueueSend()`

源码位置：xQueueGenericSend()

BaseType_t xQueueGenericSend( QueueHandle_t xQueue, const void *pvItemToSend, TickType_t xTicksToWait, BaseType_t xCopyPosition )
{Queue_t * const pxQueue = xQueue;BaseType_t xEntryTimeSet = pdFALSE;// 如果队列已满且非阻塞，立即返回错误if( pxQueue->uxMessagesWaiting >= pxQueue->uxLength ){if( xTicksToWait == 0 )return errQUEUE_FULL;// 阻塞当前任务，加入等待发送列表vTaskPlaceOnEventList( &( pxQueue->xTasksWaitingToSend ), xTicksToWait );}else{// 拷贝数据到队列prvCopyDataToQueue( pxQueue, pvItemToSend, xCopyPosition );// 如果有任务在等待接收，唤醒它if( listLIST_IS_EMPTY( &( pxQueue->xTasksWaitingToReceive ) ) == pdFALSE )xTaskRemoveFromEventList( &( pxQueue->xTasksWaitingToReceive ) );return pdPASS;}
}

3.2 数据拷贝函数 `prvCopyDataToQueue()`

static void prvCopyDataToQueue( Queue_t * const pxQueue, const void *pvItemToQueue, const BaseType_t xPosition )
{if( pxQueue->uxItemSize > 0 ){// 计算写入位置int8_t *pcWriteTo = pxQueue->pcWriteTo;// 拷贝数据memcpy( pcWriteTo, pvItemToQueue, pxQueue->uxItemSize );// 更新写入指针（循环队列）pcWriteTo += pxQueue->uxItemSize;if( pcWriteTo >= pxQueue->pcHead + ( pxQueue->uxLength * pxQueue->uxItemSize ) )pcWriteTo = pxQueue->pcHead;pxQueue->pcWriteTo = pcWriteTo;}pxQueue->uxMessagesWaiting++;
}

4. 队列的阻塞机制

4.1 任务阻塞与唤醒

发送阻塞：当队列满时，任务被挂起到 xTasksWaitingToSend 列表，并设置超时时间。
接收阻塞：当队列空时，任务被挂起到 xTasksWaitingToReceive 列表。
唤醒机制：当数据被写入或读取时，检查等待列表并唤醒优先级最高的任务。

5. 队列的应用场景

5.1 任务间通信

生产者-消费者模型：一个任务生成数据（如传感器采样），另一个任务处理数据。

// 生产者任务
void vProducerTask( void *pvParameters )
{SensorData_t xData;while(1){xData = read_sensor();xQueueSend( xDataQueue, &xData, portMAX_DELAY );}
}// 消费者任务
void vConsumerTask( void *pvParameters )
{SensorData_t xData;while(1){xQueueReceive( xDataQueue, &xData, portMAX_DELAY );process_data(xData);}
}

5.2 中断服务程序（ISR）与任务通信

中断中发送数据：使用 xQueueSendFromISR()。

void ADC_IRQHandler( void )
{uint16_t adc_value = read_adc();BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;xQueueSendFromISR( xADCFastQueue, &adc_value, &xHigherPriorityTaskWoken );portYIELD_FROM_ISR( xHigherPriorityTaskWoken );
}

5.3 实现信号量（Semaphore）和互斥量（Mutex）

二值信号量：队列长度为 1，消息大小为 0（仅触发信号）。

// 创建二值信号量
SemaphoreHandle_t xSemaphore = xQueueCreate( 1, 0 );// 释放信号量
xQueueSend( xSemaphore, NULL, 0 );// 获取信号量
xQueueReceive( xSemaphore, NULL, portMAX_DELAY );