xqueue：基于C语言实现的循环队列缓冲区模块

嵌入式ARM 2023-04-11 12:29 1083浏览 2评论 0点赞

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一、为什么需要FIFO？

FIFO是First-In First-Out的缩写，它是一个具有先入先出特点的缓冲区。

可以理解成一个大的水池，水对应数据，注水速度对应数据输入的频率，放水速度对应数据处理的速度，当注水速度和放水速度相同时，我们不需要使用水池来缓冲。但是，当注水速度大于放水速度，或者注水速度突然变大时（突发），为了保证水池不溢出（数据不丢失），就需要水池（缓冲区）来处理这种突发情况，并设置合理大小的水池空间（FIFO的深度）。

或者为了降低CPU负担，提高数据处理效率，可以在积累到一定的数据量之后，再一次性处理。

在FPGA中，FIFO一般是使用RAM存储器作为缓冲区，可以分为同步FIFO或异步FIO，一般用于数据缓冲，或者不同时钟域之间的数据传递。

在单片机中，一般是基于一维数组和结构体实现的循环队列（Queue），或者叫环形队列。

FIFO的使用，既可以保证数据的完整性，还可以让数据被及时的处理。

本文介绍，基于C语言的循环队列缓冲区原理、设计与实现。

二、FIFO的存取顺序

定义一个一维数组当作存储区，数组长度为6，再定义两个读写指针变量。

初始化时，FIFO为空，读写指针相等，并都置为0。

写入一个数据1之后，写指针递增，读指针不变：

再写两个数据2和3，写指针递增，读指针不变：

写了三个数据之后，我们读出一个数据1，写指针不变，读指针递增：

读出一个数据2，再写两个数据4和5，读写指针变化：

再写一个数据6，此时超过数组长度，但是数组头部还有空间，所以写指针回到数组起始地址0：

再写一个数据7，此时判断FIFO满：

可能会有朋友疑惑，不是还有一个空位置可以存放数据吗？

如果再存入一个数据之后，读写指针相等，此时可以判断是满状态吗？

显然是不能，因为当FIFO为空时，也是读写指针相等，所以这种情况就无法判断满和空。

这里就涉及到FIFO设计中，最重要的满和空的判断条件，需要遵循FIFO读写的两个规则：

FIFO为空时，不能执行读操作
FIFO为满时，不能执行写操作

为了避免这种情况发生，我们空出一个元素位置，写指针指向的位置永远为空，这样就会有两种满的情况：

rd < wr
rd > wr

对于第一种情况，当(wr + 1) % FIFO_SIZE == rd时，可以认为FIFO满，FIFO_SIZE是指数组长度；

对于第二种情况，当wr + 1 == rd时，可以认为FIFO满。

以上两种情况可以合并为一种，即(wr + 1) % FIFO_SIZE == rd时，判断FIFO满。

所以这种判断方式，会牺牲一个存储位置，实际可以存储的元素个数为FIFO_SIZE-1。

同理，获取当前FIFO内元素的个数，也可以分为两种情况：

当wr > rd时， count = wr - rd

当wr < rd时，count = wr + FIFO_SIZE - rd

三、FIFO的代码实现

根据以上FIFO存取逻辑，我们可以使用一维数组来构造一个环形缓冲区，读写地址循环递增，分别实现FIFO初始化、读写操作、判断空满、获取元素个数等函数，并封装成模块。

xqueue.h

/*
 * Copyright(C), 2010-2023, CSDN @ whik1194
 * Time       : 2023年4月9日
 * Author     : https://blog.csdn.net/whik1194
 * GitHub     : https://gitee.com/whik/xqueue
 */
#ifndef __XQUEUE_H__
#define __XQUEUE_H__

#include "stdint.h"

/* FIFO数据的类型，可以是结构体类型 */
#define qdata_t uint8_t

/* FIFO长度，实际存放的数据=FIFO_SIZE-1 */
#define FIFO_SIZE 6

typedef enum {
    QUEUE_OK,
    QUEUE_FULL,
    QUEUE_EMPTY
}qstatus_t;

typedef struct {
    uint16_t addr_wr;        /* 写地址 */
    uint16_t addr_rd;        /* 读地址 */
    uint16_t length;         /* FIFO长度，实际存放的数据=length-1 */
    qdata_t fifo[FIFO_SIZE];
}queue_t;

qstatus_t queue_reset(queue_t *q);
qstatus_t queue_read(queue_t *q, qdata_t *pdata);
qstatus_t queue_write(queue_t *q, qdata_t data);
int queue_isFull(queue_t *q);
int queue_isEmpty(queue_t *q);
int queue_print(queue_t *q);

#endif

xqueue.c文件

/*
 * Copyright(C), 2010-2023, CSDN @ whik1194
 * Time       : 2023年4月9日
 * Author     : https://blog.csdn.net/whik1194
 * GitHub     : https://gitee.com/whik/xqueue
 */
#include "xqueue.h"
#include "stdio.h"

/* FIFO复位 */
qstatus_t queue_reset(queue_t *q)
{
    int i = 0;

    q->addr_wr = 0;
    q->addr_rd = 0;
    q->length = FIFO_SIZE;
    for(i = 0; i < q->length; i++)
        q->fifo[i] = 0;

    return QUEUE_OK;
}

/* FIFO写入数据 */
qstatus_t queue_write(queue_t *q, qdata_t data)
{
    if(queue_isFull(q))
    {
        printf("Write failed(%d), queue is full\n", data);
        return QUEUE_FULL;
    }

    q->fifo[q->addr_wr] = data;
    q->addr_wr = (q->addr_wr + 1) % q->length;
    printf("write success: %02d\n", data);
    queue_print(q);

    return QUEUE_OK;
}

/* FIFO读出数据 */
qstatus_t queue_read(queue_t *q, qdata_t *pdata)
{
    if(queue_isEmpty(q))
    {
        printf("Read failed, queue is empty\n");
        return QUEUE_EMPTY;
    }

    *pdata = q->fifo[q->addr_rd];
    q->addr_rd = (q->addr_rd + 1) % q->length;

    printf("read success: %02d\n", *pdata);
    queue_print(q);

    return QUEUE_OK;
}

/* FIFO是否为空 */
int queue_isEmpty(queue_t *q)
{
    return (q->addr_wr == q->addr_rd);
}

/* FIFO是否为满 */
int queue_isFull(queue_t *q)
{
    return ((q->addr_wr + 1) % q->length == q->addr_rd);
}

/* FIFO内数据的个数 */
int queue_count(queue_t *q)
{
    if(q->addr_rd <= q->addr_wr)
        return (q->addr_wr - q->addr_rd);
    //addr_rd > addr_wr;
    return (q->length + q->addr_wr - q->addr_rd);
}

/* 打印当前FIFO内的数据和读写指针的位置 */
int queue_print(queue_t *q)
{
    int i = 0;
    int j = 0;

    for(i = 0; i < q->addr_rd; i++)
        printf("     ");

    printf("rd=%d", q->addr_rd);
    printf("\n");

    for(i = 0; i < q->length; i++)
    {
        if(q->addr_wr > q->addr_rd)
        {
            if(i >= q->addr_rd && i < q->addr_wr)
                printf("[%02d] ", q->fifo[i]);
            else
                printf("[  ] ");
        }
        else//addr_rd > addr_wr
        {
            if(i < q->addr_wr || i >= q->addr_rd)
                printf("[%02d] ", q->fifo[i]);
            else
                printf("[  ] ");
        }
    }
    printf("------count = %d\n", queue_count(q));

    for(i = 0; i < q->addr_wr; i++)
        printf("     ");

    printf("wr=%d", q->addr_wr);
    printf("\n");

    return QUEUE_OK;
}

实际应用：

/*
 * Copyright(C), 2010-2023, CSDN @ whik1194
 * Time       : 2023年4月9日
 * Author     : https://blog.csdn.net/whik1194
 * GitHub     : https://github.com/whik/xqueue
 */
#include 
#include 

#include "xqueue.h"

int main(int argc, char *argv[])
{
    queue_t queue;
    qdata_t data;

    queue_reset(&queue);
    queue_write(&queue, 1);
    queue_write(&queue, 2);
    queue_write(&queue, 3);
    queue_read(&queue, &data);
    queue_read(&queue, &data);
    queue_write(&queue, 4);
    queue_write(&queue, 5);
    queue_write(&queue, 6);
    queue_write(&queue, 7);
    queue_read(&queue, &data);
    queue_read(&queue, &data);
    queue_read(&queue, &data);
    queue_write(&queue, 8);
    queue_write(&queue, 9);
    queue_write(&queue, 10);
    queue_read(&queue, &data);

    system("pause");
    return 0;
}