聊聊無人機飛控的兩類操作系統介紹

操作系統向下進行硬件資源管理，向上提供任務調度和通信接口。當前Ubuntu（一款Linux發行版）+ROS（Robot Operating System）已經成為機器人運行環境的事實標準，而對于無人機飛控，我們期望操作系統是實時的且高度可剪裁配置、可擴展。主流飛控的嵌入式實時內核依據軟件架構、接口標準兼容性等劃分為兩大類：類Unix如NuttX等，微內核類如FreeRTOS和uCOSii等。其中實時主要是指具備高優先級任務搶占低優先級任務的能力，調度延遲以系統時鐘量級來計。上述兩類操作系統都滿足實時要求，類Unix、微核本質是調度器，由一些線性數據結構實現對任務線程的管理；而ROS本質是多進程Socket通信中間件。

一、類Unix操作系統

PC端Unix操作系統啟動之后呈現出進程樹和文件系統樹，進程樹表達所有進程之間都具有親緣關系，而文件系統樹表達文件系統路徑之間的掛載關系。

NuttX是類Unix嵌入式實時操作系統，因為處理器架構不同，又限于資源壓力，相比于Linux，它對機制實現做了一些簡化。麻雀雖小，五臟俱全，NuttX支持8bit到64bit微處理器環境，支持POSIX/ANSI標準的任務控制、命名管道，計數信號量，信號，互斥量以及文件系統等機制，下面是NuttX架構圖：

NuttX架構圖

首先， NuttX支持用戶線程和內核線程，而不具有Linux意義下的進程概念。取而代之的是NuttX線程組，包括一個主任務線程和由主線程創建的pthreads，線程組線程彼此共享資源如環境變量、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有一定獨立度。對于線程/任務控制，NuttX提供了VxWorks與POSIX風格的API，實現最大程度兼容性。對于內核線程，他們相比于用戶態有內核資源訪問權限。

默認情況下，NuttX按照優先級調度，高優任務在阻塞之前獨占CPU，同優先級任務按下來先調度順序執行，NuttX任務或線程可以通過選項配置round-robin或sporadic方式調度。

除了線程與任務之外，NuttX還有一種任務執行方案，work queue：work queue是一系列需要執行的工作加入到隊列中，由一些線程來消費執行。NuttX支持三種類型work queue，包括高優內核work queue：一般用于處理中斷句柄中的延遲任務，也可用于驅動底層處理工作，因為這些任務通常是高優快速運行的；還有低優內核work queue：低優先級工作隊列更適合于處理面向應用層的工作，比如文件系統清理，內存垃圾回收，異步IO操作等；還有用戶模式work queue：同樣面向應用層，但是訪問內核資源需要系統調用增加開銷，用戶自行結合實際情況選取。

在任務同步、通信，資源互斥保護方面，NuttX支持命名管道，計數信號量，信號，共享內存等。父子關系的線程或任務之間可以用waitpid等同步，非父子關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的，命名管道支持POSIX標準文件系統操作，如下介紹： ? NuttX符合“一切皆文件”的哲學，接口上對外暴露Open、Close、Read、Write、Ioctl以及Poll。如設備驅動，又如命名管道。NuttX偽根文件系統是全內存的，其他或真實文件系統可以掛載到根下。NuttX設備驅動包括字符設備驅動，如常見串口驅動，模數驅動，PWM驅動，CAN驅動，正交編碼器，定時器驅動，RTC驅動，FOC（Field Oriented Control）控制交流電機驅動等。除了最常見的字符設備驅動之外，還有字符設備驅動，它們以塊為單位讀寫訪問，以及一些特殊設備驅動：SYSLOG，RAM LOG等。PX4中傳感器驅動是對字符設備的進一步開發，放在PX4-Autopilotsrcdrivers路徑中，讀者可以自行查看調用關系。 ? ? ?

二、微內核

與類Unix相比，微核的調度、通信等機制都是獨立實現，不遵守接口標準，因此更輕量。相比于裸機編程，使用微內核，業務被模塊化可以使架構更清楚，開發者對調度和通信的實現無需過多關注。微內核代表產品包括FreeRTOS、uCOSii，以及國產RT-thread，我們以FreeRTOS為例介紹一下：

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

對中斷的響應和處理也是嵌入式編程需要關注的一個特性，在FreeRTOS中，中斷事件可以與常規task進行通信和同步。此外，微核支持臨界區來關閉調度和中斷，臨界區邏輯需要盡可能短小，以保證實時性。

內存管理方面，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存中，內存布局可以類比下圖：

微核內存管理示意圖總地來說，對于類Unix和微核，應該沒有程序運行效率上差別，類Unix操作系統遵守協議標準，對Linux特性熟悉的可以很容易上手開發，同時可以使用KConfig剪裁配置系統功能；微核優勢在于輕量級，系統代碼占用幾K空間，比較受到國內MCU開發者青睞。當然也有裸機編程的，自己開發定時器中斷回調，完成周期任務執行，但是顯然，這樣的開發方式只適用于小規模項目。? ??

三、ROS

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

下面是ROS發行版與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布單元，工作空間是包開發和運行的路徑范圍。ROS提供catkin基礎包幫助用戶做開發包的構建管理，catkin本質是CMake與一些python腳本實現的，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行二進制，稱為節點。運行中的節點彼此存在消息流交互，構成圖，在ROS1中，由master節點提供名稱索引服務與消息通訊，由參數服務器提供系統參數增刪改查服務。節點之間通信采用SOCKET。ROS2干掉了master概念，節點可消息直傳，系統更魯棒。另外，ROS2構建于 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。