PX4代码解析(4)

一、引言

PX4程序是基于实时操作系统（Real-time operating system, RTOS）的上层应用程序，PX4飞控程序的很多重要模块都是在Nuttx操作系统的调度下运行的。因此，想要弄懂PX4源码，需要了解一些操作系统的相关知识。

二、任务调度

早期计算机由于技术限制，大部分处理器都是单一核心，即CPU在同一时间只能处理一个工作。例如，在没有任务调度的打印程序中，程序需要等待打印机就绪，之后才能向打印机发送文字。但由于打印机是外部设备，其响应速度与执行速度远低于CPU，这会导致CPU需要等待打印机响应，导致CPU资源浪费，为了解决这个问题，人们提出了一系列任务调度的方法。

1.时间片轮转调度

时间片轮转调度是最为简单的调度方法，当某任务执行一小段时间后，CPU保存当前任务，然后去执行另一个任务，再执行一小段时间后，再将这个任务保存，再转回执行第一个任务。每个被执行的任务都会被操作系统分配一个时间片，CPU在执行任务时会计算当前任务执行的时间，当时间片耗尽之后，会对当前任务进行保存，并对另一个任务恢复现场并执行。例如，任务A与B，处理器先载入A任务相关参数并执行，当执行一段时间后，转入任务B执行，并保存A任务状态，再过一段时间，将任务B执行状态保存，转去执行任务A，重复此操作，示意图如下所示。

2.多级反馈队列

在实际应用中，简单的时间片轮转调度有很大的局限性，在这种调度下，每一个任务所占用的CPU执行时间相同，所有任务都是平等的，但这种方法不切合实际，因此人们提出了多级反馈队列的调度方式。这一部分可以参考多级反馈队列调度算法.

3.抢占式优先级

在嵌入式操作系统中，通常对任务的实时性有要求。为此，我们可以为每一个任务分配一个优先级，操作系统优先执行高优先级的任务，只有高优先级任务主动休眠，或者等待资源时才将其挂起，运行低优先级的任务。这种调度策略就是抢占式优先级调度，即高优先级任务抢占低优先级任务的运行权。
PX4中Nuttx系统采取的就是抢占式优先级调度，每一个运行的任务都可以为其指定优先级，Nuttx在调度时按优先级调度。如果多个任务具有相同优先级，则采取时间片轮转的方式。
这种调度方式的优点在于可以保证高优先级任务运行的实时性，对嵌入式系统具有重要意义。例如，在无人机中，导航任务与控制任务的优先级就要高于数据传输和网络通信任务，只有这样才可以最大程度保证无人机飞行安全。

三、多进程与多线程

1.进程

进程，简单来说，就是运行中的程序。我们在计算机上播放音乐，上网冲浪，查看照片，像这样操作系统为用户提供的多个任务，被称为操作系统中的进程。举个简单的例子，我们在linux中创建c文件，命名为test1.c，并输入如下代码

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>


int main()
{
    for(int i = 0; i<1000; i++)
    {
	printf("%d\n",i);
	sleep(1);
    }
    return 0;
}

该程序通过for循环输出i的值，将程序保存，通过gcc命令将其编译为一个可执行的文件test1

gcc test1.c -o test1

执行过后，会在当前文件夹下生成名为test1的可执行文件。在操作系统没有执行之前，它作为普通文件存放在计算机中，当执行./test1后，计算机会将test1文件载入内存，并开始运行，此时该可执行文件就成了可以运行的进程，运行结果如图
在linux中，我们可以采用ps命令查看进程
在PX4飞控程序中，许多模块作为一个进程（任务）运行在pixhawk中。链接pixhawk硬件，输入top命令，可以得到
通过top命令可以清晰看到每一个进程（任务）的ID号，名称，CPU占用百分比，进程优先级等。有关进程更为详细的应用我会后续介绍

2.线程

通常我们并不希望操作系统的最小调度单位为进程。换句话来说，我们希望一个进程在执行时，这个进程可以并行执行多个任务，而不是只能执行一个任务，于是就有了线程的概念。还是以个人电脑为例，电脑中有一个记事本的程序，我们打开运行后可以在其中输入内容，同时我们还可以将输入的内容进行保存，在使用时，输入与保存功能往往是可以同时进行的。事实上，输入与保存就是记事本进程下的两个并行任务，我们称为线程。
操作系统允许一个进程中创建多个可并行的调度单元，即线程。所以线程机制使进程在同一时间执行多个任务。多个进程在操作系统运行的过程通常称为多进程，一个进程中的多个线程运行的过程称为多线程，下面以一段代码讲解多线程的创建与运行。首先创建test2.c文件，在其中输入如下内容：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<pthread.h>

void* pth_func1(void *arg)
{
    for (int i = 0; i < 2; i++)
    {
        printf("%s: i = %d\n",__func__,i);
        sleep(1);
    }
    return NULL;
    
}

void* pth_func2(void *arg)
{
    int cnt = (int)(long int)arg;
    for (int i = 0; i < cnt; i++)
    {
        printf("%s: i = %d\n",__func__,i);
        sleep(1);
    }
    return NULL;
    
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    //定义3个多线程描述符变量
    pthread_t pth1, pth2, pth3;
    //创建进程，进程名称为pth1，执行函数为pth_func1(),输入参数为NULL(无)
    pthread_create(&pth1, NULL, &pth_func1, NULL);
    pthread_create(&pth2, NULL, &pth_func2, (void*)3);
    pthread_create(&pth3, NULL, &pth_func2, (void*)5);
    //调用pthread_join()函数等待线程运行结束，当三个线程都结束后，主进程才会继续运行
    pthread_join(pth1, NULL);
    pthread_join(pth2, NULL);
    pthread_join(pth3, NULL);
    return 0;
}

保存文件然后输入如下代码进行编译

gcc test2.c -o test2 -lpthread

随后输入./test2运行代码，运行结果如下
程序一共运行5s，然后退出，运行过程为：线程1运行2s，输出两次；线程2运行3s，输出三次；线程3运行5s，输出五次。可以看到，在同一进程下的可以同时运行多个任务(线程)

3.PX4中进程与线程

大致了解了进程与线程，看看PX4代码中是如何调用这一功能吧。PX4代码版本为V1.11，打开/PX4_Firmware/platforms/posix/src/px4/common/tasks.cpp文件，你会看到PX4中创建进程的函数px4_task_spawn_cmd（），具体函数注释如下

px4_task_t px4_task_spawn_cmd(const char *name, int scheduler, int priority, int stack_size, px4_main_t entry,
			      char *const argv[])
//函数功能：创建进程
//返回值：返回创建进程的ID号
//输入值：name：进程名称
//       scheduler：线程调度调度方式，RR或FIFO，RR是指时间片轮转，FIFO是指先进先出的调度策略
//       priority：进程优先级
//       stack_size：分配堆栈内存大小
//       entry：进程函数
//       argv：进程参数

此外，px4_task_t在PX4中为int的别名，后续文章我将更新PX4如何使用进程与线程以及怎么在PX4中创建自己的进程