15.FreeRTOS数据结构：StreamBuffer，MessageBuffer和Queue的区别

FreeRTOS数据结构：StreamBuffer，MessageBuffer和Queue的区别

介绍

在嵌入式系统开发中，任务间的通信是非常重要的一部分。FreeRTOS提供了多种数据结构来实现任务间的通信，包括StreamBuffer，MessageBuffer和Queue。这三种数据结构各又什么特点又有什么区别呢？

StreamBuffer

StreamBuffer是FreeRTOS中用于任务间或任务与中断间连续数据传输的数据结构。它允许你发送和接收任意长度的数据。StreamBuffer的主要特点是：

• 数据连续：StreamBuffer传输连续的数据，可以一次写入任意数量的字节，并且可以一次读取任意数量的字节。
• 适用场景：StreamBuffer主要应用于一个发送者一个接收者的场景，比如从中断发送给task，或者从一个cpu核发送到另一个cpu核。

MessageBuffer

MessageBuffer是FreeRTOS中用于任务间或任务与中断间离散数据传输的数据结构。它允许你发送和接收带有长度的消息。MessageBuffer的主要特点是：

• 数据离散：MessageBuffer传送离散的带有长度的消息，每一条消息的写入增加了一个字节用来表示该条消息的长度。
• 适用场景：MessageBuffer非固定长度，带有长度标签，适合传输协议帧数据。

Queue

Queue是FreeRTOS中用于任务间或任务与中断间数据传输的数据结构。它允许你发送和接收固定大小的数据项。Queue的主要特点是：

• 数据固定：Queue传送固定大小的数据项，每一条数据项的大小在创建队列时确定。
• 适用场景：Queue适用于多任务间的数据传输，可以有多个发送者和接收者。

Stream Buffer 和 Message Buffer的一些不同：

它们都可以用于任务-任务，任务-中断的数据传输，都遵循FIFO先进先出原则，数据传递的方式为拷贝。但是，它们之间存在一些关键的区别：

1. 数据单位：Stream Buffer传输连续的数据，可以一次写入任意数量的字节，并且可以一次读取任意数量的字节。而Message Buffer传送离散的带有长度的消息，每一条消息的写入增加了四个字节用来表示该条消息的长度。

2. 接收方式：Message Buffer一次只能接收1条Message，而Stream Buffer则根据长度接收。Message Buffer在接收缓冲区＜1条消息大小时，不会接收，而Stream Buffer则会将数据截断接收。

3. 使用场景：Stream Buffer主要应用于一个发送者一个接收者的场景，比如从中断发送给task，或者从一个cpu核发送到另一个cpu核。而Message Buffer非固定长度，带有长度标签，适合传输协议帧数据。

需要注意的是，与大多数其他FreeRTOS API不同的是，Stream Buffer和Message Buffer针对单个读取器单写入器场景进行了优化，例如将数据从中断服务例程传递到任务，或者从双核CPU上的一个微控制器核心传递到另一个。在多任务读写的环境中，需要将该函数相关的调用置于关键区域内（taskENTER_CRITICAL和taskEXIT_CRITICAL），也可以使用互斥信号量来解决。

以下是StreamBuffer和MessageBuffer接收数据的示例：

StreamBuffer示例

假设我们有一个StreamBuffer，其中包含字符串"Hello, World!"（包括结束符’\0’，总共13个字节）。我们的接收缓冲区只有10个字节的大小。

char pcReceivedString[10];
size_t xReceivedBytes;

xReceivedBytes = xStreamBufferReceive(xStreamBuffer, (void *)pcReceivedString, 10, portMAX_DELAY);
1
2
3
4

在这种情况下，xStreamBufferReceive()将会接收前10个字节的数据（“Hello, Wor”），并返回接收到的字节数（10）。剩下的数据（“ld!\0”）仍然留在StreamBuffer中。

MessageBuffer示例

假设我们有一个MessageBuffer，其中包含消息"Hello, World!"（包括结束符’\0’，总共13个字节，加上4个字节的长度字段，总共17个字节）。我们的接收缓冲区只有10个字节的大小。

char pcReceivedMessage[10];
size_t xReceivedBytes;

xReceivedBytes = xMessageBufferReceive(xMessageBuffer, (void *)pcReceivedMessage, 10, portMAX_DELAY);
1
2
3
4

在这种情况下，xMessageBufferReceive()将会检查下一条消息的大小。由于下一条消息的大小（13个字节）大于接收缓冲区的大小（10个字节），xMessageBufferReceive()将不会接收任何数据，而是立即返回0。消息"Hello, World!"仍然完整地留在MessageBuffer中。

结语

这就是StreamBuffer和MessageBuffer在接收数据时的主要区别。StreamBuffer会根据长度接收数据，即使这意味着数据会被截断。而MessageBuffer则会检查整条消息是否可以完整地接收，如果不能，它就不会接收任何数据。