聊聊无人机飞控的两类操作系统介绍

操作系统向下进行硬件资源管理，向上提供任务调度和通信接口。当前Ubuntu（一款Linux发行版）+ROS（Robot Operating System）已经成为机器人运行环境的事实标准，而对于无人机飞控，我们期望操作系统是实时的且高度可剪裁配置、可扩展。主流飞控的嵌入式实时内核依据软件架构、接口标准兼容性等划分为两大类：类Unix如NuttX等，微内核类如FreeRTOS和uCOSii等。其中实时主要是指具备高优先级任务抢占低优先级任务的能力，调度延迟以系统时钟量级来计。上述两类操作系统都满足实时要求，类Unix、微核本质是调度器，由一些线性数据结构实现对任务线程的管理；而ROS本质是多进程Socket通信中间件。

一、类Unix操作系统

PC端Unix操作系统启动之后呈现出进程树和文件系统树，进程树表达所有进程之间都具有亲缘关系，而文件系统树表达文件系统路径之间的挂载关系。

NuttX是类Unix嵌入式实时操作系统，因为处理器架构不同，又限于资源压力，相比于Linux，它对机制实现做了一些简化。麻雀虽小，五脏俱全，NuttX支持8bit到64bit微处理器环境，支持POSIX/ANSI标准的任务控制、命名管道，计数信号量，信号，互斥量以及文件系统等机制，下面是NuttX架构图：

NuttX架构图

首先， NuttX支持用户线程和内核线程，而不具有Linux意义下的进程概念。取而代之的是NuttX线程组，包括一个主任务线程和由主线程创建的pthreads，线程组线程彼此共享资源如环境变量、文件描述符、文件流、sockets等。另外，在NuttX上有task的概念，task是一种特殊的pthread，和pthread资源共享程度相比，task有一定独立度。对于线程/任务控制，NuttX提供了VxWorks与POSIX风格的API，实现最大程度兼容性。对于内核线程，他们相比于用户态有内核资源访问权限。

默认情况下，NuttX按照优先级调度，高优任务在阻塞之前独占CPU，同优先级任务按下来先调度顺序执行，NuttX任务或线程可以通过选项配置round-robin或sporadic方式调度。

除了线程与任务之外，NuttX还有一种任务执行方案，work queue：work queue是一系列需要执行的工作加入到队列中，由一些线程来消费执行。NuttX支持三种类型work queue，包括高优内核work queue：一般用于处理中断句柄中的延迟任务，也可用于驱动底层处理工作，因为这些任务通常是高优快速运行的；还有低优内核work queue：低优先级工作队列更适合于处理面向应用层的工作，比如文件系统清理，内存垃圾回收，异步IO操作等；还有用户模式work queue：同样面向应用层，但是访问内核资源需要系统调用增加开销，用户自行结合实际情况选取。

在任务同步、通信，资源互斥保护方面，NuttX支持命名管道，计数信号量，信号，共享内存等。父子关系的线程或任务之间可以用waitpid等同步，非父子关系可以用其他如命名管道等方式做同步，PX4中的uORB就是基于命名管道实现的，命名管道支持POSIX标准文件系统操作，如下介绍：   NuttX符合“一切皆文件”的哲学，接口上对外暴露Open、Close、Read、Write、Ioctl以及Poll。如设备驱动，又如命名管道。NuttX伪根文件系统是全内存的，其他或真实文件系统可以挂载到根下。NuttX设备驱动包括字符设备驱动，如常见串口驱动，模数驱动，PWM驱动，CAN驱动，正交编码器，定时器驱动，RTC驱动，FOC（Field Oriented Control）控制交流电机驱动等。除了最常见的字符设备驱动之外，还有字符设备驱动，它们以块为单位读写访问，以及一些特殊设备驱动：SYSLOG，RAM LOG等。PX4中传感器驱动是对字符设备的进一步开发，放在PX4-Autopilotsrcdrivers路径中，读者可以自行查看调用关系。      

二、微内核

与类Unix相比，微核的调度、通信等机制都是独立实现，不遵守接口标准，因此更轻量。相比于裸机编程，使用微内核，业务被模块化可以使架构更清楚，开发者对调度和通信的实现无需过多关注。微内核代表产品包括FreeRTOS、uCOSii，以及国产RT-thread，我们以FreeRTOS为例介绍一下：

FreeRTOS支持消息队列，用于任务间通信，本质是一段对各个任务可见的共享内存。也支持二值信号量（或互斥信号量）做资源互斥保护以及多值信号量做同步，他们的本质也是共享内存空间以及有PV语义的接口。

对中断的响应和处理也是嵌入式编程需要关注的一个特性，在FreeRTOS中，中断事件可以与常规task进行通信和同步。此外，微核支持临界区来关闭调度和中断，临界区逻辑需要尽可能短小，以保证实时性。

内存管理方面，与NuttX一样，对于没有MMU的STM32F4处理器， TCB(Task Control Block)与各自的栈链表形式保存在扁平内存中，内存布局可以类比下图：

微核内存管理示意图 总地来说，对于类Unix和微核，应该没有程序运行效率上差别，类Unix操作系统遵守协议标准，对Linux特性熟悉的可以很容易上手开发，同时可以使用KConfig剪裁配置系统功能；微核优势在于轻量级，系统代码占用几K空间，比较受到国内MCU开发者青睐。当然也有裸机编程的，自己开发定时器中断回调，完成周期任务执行，但是显然，这样的开发方式只适用于小规模项目。    

三、ROS

ROS（Robot Operating System）从2007年诞生至今已经成为机器人操作系统事实标准，经历过两个主要版本ROS1和ROS2。虽然被叫做操作系统，但是ROS本质只是一个中间件，不具备原生调度硬件的能力，更不满足实时性要求。

下面是ROS发行版与Ubuntu版本匹配情况：

  下面简单介绍一些ROS概念和用法：   包是项目的功能单元和发布单元，工作空间是包开发和运行的路径范围。ROS提供catkin基础包帮助用户做开发包的构建管理，catkin本质是CMake与一些python脚本实现的，此外，ROS也提供了一些包管理的命令行工具。

包中可以包含一个或多个可运行二进制，称为节点。运行中的节点彼此存在消息流交互，构成图，在ROS1中，由master节点提供名称索引服务与消息通讯，由参数服务器提供系统参数增删改查服务。节点之间通信采用SOCKET。ROS2干掉了master概念，节点可消息直传，系统更鲁棒。另外，ROS2构建于 Data Distribution Service（DDS）之上，因其支持多种传输模式，因此更适合于实时性更好的操作系统。

ROS架构 来源：《Exploring the performance of ROS2》

此外，ROS有着丰富的辅助开发工具，包括可视化工具Rviz，仿真工具gazebo。此外，ROS也有着庞大的开发者基础，支持的功能包也涵盖优化，控制，导航，视觉，AI等领域。如果有机会，我们后面会选取SOTA成果，对包做测评。

这篇只是简单聊聊这两类操作系统，并没有事无巨细介绍，因为我还是觉得操作系统实现或开发，实操效果会更好，可以研究研究嵌入式操作系统的调度特性，内存管理，文件系统，以及ROS包开发，功能包评测来加深理解。

编辑：黄飞