聊聊無人機(jī)飛控的兩類操作系統(tǒng)介紹

操作系統(tǒng)向下進(jìn)行硬件資源管理，向上提供任務(wù)調(diào)度和通信接口。當(dāng)前Ubuntu（一款Linux發(fā)行版）+ROS（Robot Operating System）已經(jīng)成為機(jī)器人運(yùn)行環(huán)境的事實標(biāo)準(zhǔn)，而對于無人機(jī)飛控，我們期望操作系統(tǒng)是實時的且高度可剪裁配置、可擴(kuò)展。主流飛控的嵌入式實時內(nèi)核依據(jù)軟件架構(gòu)、接口標(biāo)準(zhǔn)兼容性等劃分為兩大類：類Unix如NuttX等，微內(nèi)核類如FreeRTOS和uCOSii等。其中實時主要是指具備高優(yōu)先級任務(wù)搶占低優(yōu)先級任務(wù)的能力，調(diào)度延遲以系統(tǒng)時鐘量級來計。上述兩類操作系統(tǒng)都滿足實時要求，類Unix、微核本質(zhì)是調(diào)度器，由一些線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對任務(wù)線程的管理；而ROS本質(zhì)是多進(jìn)程Socket通信中間件。

?

一、類Unix操作系統(tǒng)

PC端Unix操作系統(tǒng)啟動之后呈現(xiàn)出進(jìn)程樹和文件系統(tǒng)樹，進(jìn)程樹表達(dá)所有進(jìn)程之間都具有親緣關(guān)系，而文件系統(tǒng)樹表達(dá)文件系統(tǒng)路徑之間的掛載關(guān)系。

NuttX是類Unix嵌入式實時操作系統(tǒng)，因為處理器架構(gòu)不同，又限于資源壓力，相比于Linux，它對機(jī)制實現(xiàn)做了一些簡化。麻雀雖小，五臟俱全，NuttX支持8bit到64bit微處理器環(huán)境，支持POSIX/ANSI標(biāo)準(zhǔn)的任務(wù)控制、命名管道，計數(shù)信號量，信號，互斥量以及文件系統(tǒng)等機(jī)制，下面是NuttX架構(gòu)圖：

NuttX架構(gòu)圖

首先， NuttX支持用戶線程和內(nèi)核線程，而不具有Linux意義下的進(jìn)程概念。取而代之的是NuttX線程組，包括一個主任務(wù)線程和由主線程創(chuàng)建的pthreads，線程組線程彼此共享資源如環(huán)境變量、文件描述符、文件流、sockets等。另外，在NuttX上有task的概念，task是一種特殊的pthread，和pthread資源共享程度相比，task有一定獨(dú)立度。對于線程/任務(wù)控制，NuttX提供了VxWorks與POSIX風(fēng)格的API，實現(xiàn)最大程度兼容性。對于內(nèi)核線程，他們相比于用戶態(tài)有內(nèi)核資源訪問權(quán)限。

默認(rèn)情況下，NuttX按照優(yōu)先級調(diào)度，高優(yōu)任務(wù)在阻塞之前獨(dú)占CPU，同優(yōu)先級任務(wù)按下來先調(diào)度順序執(zhí)行，NuttX任務(wù)或線程可以通過選項配置round-robin或sporadic方式調(diào)度。

除了線程與任務(wù)之外，NuttX還有一種任務(wù)執(zhí)行方案，work queue：work queue是一系列需要執(zhí)行的工作加入到隊列中，由一些線程來消費(fèi)執(zhí)行。NuttX支持三種類型work queue，包括高優(yōu)內(nèi)核work queue：一般用于處理中斷句柄中的延遲任務(wù)，也可用于驅(qū)動底層處理工作，因為這些任務(wù)通常是高優(yōu)快速運(yùn)行的；還有低優(yōu)內(nèi)核work queue：低優(yōu)先級工作隊列更適合于處理面向應(yīng)用層的工作，比如文件系統(tǒng)清理，內(nèi)存垃圾回收，異步IO操作等；還有用戶模式work queue：同樣面向應(yīng)用層，但是訪問內(nèi)核資源需要系統(tǒng)調(diào)用增加開銷，用戶自行結(jié)合實際情況選取。

在任務(wù)同步、通信，資源互斥保護(hù)方面，NuttX支持命名管道，計數(shù)信號量，信號，共享內(nèi)存等。父子關(guān)系的線程或任務(wù)之間可以用waitpid等同步，非父子關(guān)系可以用其他如命名管道等方式做同步，PX4中的uORB就是基于命名管道實現(xiàn)的，命名管道支持POSIX標(biāo)準(zhǔn)文件系統(tǒng)操作，如下介紹： ? NuttX符合“一切皆文件”的哲學(xué)，接口上對外暴露Open、Close、Read、Write、Ioctl以及Poll。如設(shè)備驅(qū)動，又如命名管道。NuttX偽根文件系統(tǒng)是全內(nèi)存的，其他或真實文件系統(tǒng)可以掛載到根下。NuttX設(shè)備驅(qū)動包括字符設(shè)備驅(qū)動，如常見串口驅(qū)動，模數(shù)驅(qū)動，PWM驅(qū)動，CAN驅(qū)動，正交編碼器，定時器驅(qū)動，RTC驅(qū)動，F(xiàn)OC（Field Oriented Control）控制交流電機(jī)驅(qū)動等。除了最常見的字符設(shè)備驅(qū)動之外，還有字符設(shè)備驅(qū)動，它們以塊為單位讀寫訪問，以及一些特殊設(shè)備驅(qū)動：SYSLOG，RAM LOG等。PX4中傳感器驅(qū)動是對字符設(shè)備的進(jìn)一步開發(fā)，放在PX4-Autopilotsrcdrivers路徑中，讀者可以自行查看調(diào)用關(guān)系。 ? ? ?

二、微內(nèi)核

?

與類Unix相比，微核的調(diào)度、通信等機(jī)制都是獨(dú)立實現(xiàn)，不遵守接口標(biāo)準(zhǔn)，因此更輕量。相比于裸機(jī)編程，使用微內(nèi)核，業(yè)務(wù)被模塊化可以使架構(gòu)更清楚，開發(fā)者對調(diào)度和通信的實現(xiàn)無需過多關(guān)注。微內(nèi)核代表產(chǎn)品包括FreeRTOS、uCOSii，以及國產(chǎn)RT-thread，我們以FreeRTOS為例介紹一下：

FreeRTOS支持消息隊列，用于任務(wù)間通信，本質(zhì)是一段對各個任務(wù)可見的共享內(nèi)存。也支持二值信號量（或互斥信號量）做資源互斥保護(hù)以及多值信號量做同步，他們的本質(zhì)也是共享內(nèi)存空間以及有PV語義的接口。

對中斷的響應(yīng)和處理也是嵌入式編程需要關(guān)注的一個特性，在FreeRTOS中，中斷事件可以與常規(guī)task進(jìn)行通信和同步。此外，微核支持臨界區(qū)來關(guān)閉調(diào)度和中斷，臨界區(qū)邏輯需要盡可能短小，以保證實時性。

內(nèi)存管理方面，與NuttX一樣，對于沒有MMU的STM32F4處理器， TCB(Task Control Block)與各自的棧鏈表形式保存在扁平內(nèi)存中，內(nèi)存布局可以類比下圖：

微核內(nèi)存管理示意圖 總地來說，對于類Unix和微核，應(yīng)該沒有程序運(yùn)行效率上差別，類Unix操作系統(tǒng)遵守協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，對Linux特性熟悉的可以很容易上手開發(fā)，同時可以使用KConfig剪裁配置系統(tǒng)功能；微核優(yōu)勢在于輕量級，系統(tǒng)代碼占用幾K空間，比較受到國內(nèi)MCU開發(fā)者青睞。當(dāng)然也有裸機(jī)編程的，自己開發(fā)定時器中斷回調(diào)，完成周期任務(wù)執(zhí)行，但是顯然，這樣的開發(fā)方式只適用于小規(guī)模項目。? ??

三、ROS

ROS（Robot Operating System）從2007年誕生至今已經(jīng)成為機(jī)器人操作系統(tǒng)事實標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)歷過兩個主要版本ROS1和ROS2。雖然被叫做操作系統(tǒng)，但是ROS本質(zhì)只是一個中間件，不具備原生調(diào)度硬件的能力，更不滿足實時性要求。

下面是ROS發(fā)行版與Ubuntu版本匹配情況：

? 下面簡單介紹一些ROS概念和用法： ? 包是項目的功能單元和發(fā)布單元，工作空間是包開發(fā)和運(yùn)行的路徑范圍。ROS提供catkin基礎(chǔ)包幫助用戶做開發(fā)包的構(gòu)建管理，catkin本質(zhì)是CMake與一些python腳本實現(xiàn)的，此外，ROS也提供了一些包管理的命令行工具。

包中可以包含一個或多個可運(yùn)行二進(jìn)制，稱為節(jié)點。運(yùn)行中的節(jié)點彼此存在消息流交互，構(gòu)成圖，在ROS1中，由master節(jié)點提供名稱索引服務(wù)與消息通訊，由參數(shù)服務(wù)器提供系統(tǒng)參數(shù)增刪改查服務(wù)。節(jié)點之間通信采用SOCKET。ROS2干掉了master概念，節(jié)點可消息直傳，系統(tǒng)更魯棒。另外，ROS2構(gòu)建于 Data Distribution Service（DDS）之上，因其支持多種傳輸模式，因此更適合于實時性更好的操作系統(tǒng)。

ROS架構(gòu) 來源：《Exploring?the?performance?of?ROS2》

此外，ROS有著豐富的輔助開發(fā)工具，包括可視化工具Rviz，仿真工具gazebo。此外，ROS也有著龐大的開發(fā)者基礎(chǔ)，支持的功能包也涵蓋優(yōu)化，控制，導(dǎo)航，視覺，AI等領(lǐng)域。如果有機(jī)會，我們后面會選取SOTA成果，對包做測評。

這篇只是簡單聊聊這兩類操作系統(tǒng)，并沒有事無巨細(xì)介紹，因為我還是覺得操作系統(tǒng)實現(xiàn)或開發(fā)，實操效果會更好，可以研究研究嵌入式操作系統(tǒng)的調(diào)度特性，內(nèi)存管理，文件系統(tǒng)，以及ROS包開發(fā)，功能包評測來加深理解。

編輯：黃飛

?