px4原生源码学习四--Nuttx 实时操作系统编程

 前面说到px4是基于Nuttx实时操作系统上的，那么px4也是由一些程序所构成，这些程序实现了飞行器的自主控制，只不过这些程序并不是我们通常所见到的单片机或者windows编程那样的程序，但基本编程思想是一致的。我认为如果要看懂px4的源码，那你一定要了解px4的那些程序是怎么编写出来，怎么运行的。所以本章我就大概介绍一下基于Nuttx的编程，我以一个所有编程入门都会介绍的一个程序作为例子。这个程序就是大名鼎鼎的hello world
。

     在讲解编程之前，我得交代两个重要的东西，因为这两个东西存在于px4的源码系统当中，非常重要，它们就是make和Cmake。

      首先谈谈何为make，熟悉linux系统的朋友对make肯定不陌生，它就是用来读取Makefile文件然后执行，把源码编译链接为可执行程序的一个软件。我们只要把待编译的源码文件和这些源码所需要用到的库写到Makefile文件里面执行make命令就能得到可执行或者可烧录的二进制文件。

     

     那何为Cmake呢？

     我们可以这样理解，早期人们直接使用gcc命令编译程序，当源码文件多起了之后，直接用gcc命令过长，链接的库过多，这样就太麻烦了。这时候Make就应运而生，解决了人们对于代码文件过多的困扰。但随着项目越来越大，文件越来越多，人们发现make也捉襟见肘，因为编写Makefile文件又会变得异常复杂。这个时候聪明的程序猿就想能不能有个程序可以帮我写Makefile文件呢？这样就引出了Cmake，当然Cmake不是智能的，它不可能自己去辨别那些是代码，那些是文件，需要什么库。这样就引入了另外一套规则，也引入了一个文件CMakeLists.txt，这个文件就是Cmake程序识别的文件，有这个文件，Cmake就能帮助程序猿自动生成Makefile文件。

   总的来说流程应该是这样的：

                                cmake                            make

   CMakeLists.txt-------------->Makefile---------------------->可执行文件

                                                                         src,lib

    看过px4源码文件的朋友肯定会发现里面有很多CMakeLists.txt文件，事实上整个px4源码的文件都是基于CMakeLists.txt的（Nuttx系统不是，Nuttx是基于Makefile的，px4源码基本都在Firmware/src下，Nuttx操作系统源码在Firmware/NuttX下）

   有了上面这个两个概念之后，我们就开始着手编写我们的hello world程序。

   首先进入/Firmware/src/examples文件夹，然后在这个文件夹下面建立一个文件夹hello_world，再进入hello_world文件夹，在该文件夹下建立两个文件：CMakeLists.txt，hello_world.c。

   首先编辑hello_world.c文件。

  

[cpp]  view plain  copy

1. #include <px4_config.h>  
2. #include <px4_tasks.h>  
3. #include <px4_posix.h>  
4. #include <unistd.h>  
5. #include <stdio.h>  
6. #include <poll.h>  
7. #include <string.h>  
8.   
9.   
10. __EXPORT int hello_world_main(int argc, char *argv[]);  
11.   
12. int hello_world_main(int argc, char *argv[]){  
13.   
14.     PX4_INFO("hello world!");  
15.   
16.     return 0;  
17. }  

  然后编辑CMakeLists.txt文件

 

[cpp]  view plain  copy

1. px4_add_module(  
2.     MODULE examples__hello_world  
3.     MAIN hello_world  
4.     STACK_MAIN 2000  
5.     SRCS  
6.         hello_world.c  
7.     DEPENDS  
8.         platforms__common  
9.     )  

最后最重要的是我们要将这个程序注册到Nuttx的系统当中

找到文件/Firmware/cmake/configs/nuttx_px4fmu-v2_default.cmake

针对不同的硬件所注册的文件是不同的，下面是不同硬件的注册方式：

• Posix SITL: Firmware/cmake/configs/posix_sitl_default.cmake
• Pixhawk v1/2: Firmware/cmake/configs/nuttx_px4fmu-v2_default.cmake
• Pixracer: Firmware/cmake/configs/nuttx_px4fmu-v4_default.cmake

在cmake文件中添加“examples/hello_world”

像下面这样：

 

[cpp]  view plain  copy

1. include(nuttx/px4_impl_nuttx)  
2.   
3. set(CMAKE_TOOLCHAIN_FILE ${PX4_SOURCE_DIR}/cmake/toolchains/Toolchain-arm-none-eabi.cmake)  
4.   
5. set(config_uavcan_num_ifaces 2)  
6.   
7. set(config_module_list  
8.     #  
9.     # Board support modules  
10.     #  
11.     drivers/device  
12.     drivers/stm32  
13.     drivers/stm32/adc  
14.     drivers/stm32/tone_alarm  
15.     drivers/led  
16.     drivers/px4fmu  
17.     drivers/px4io  
18.     drivers/boards/px4fmu-v2  
19.     drivers/rgbled  
20.     drivers/mpu6000  
21.     #drivers/mpu9250  
22.     drivers/lsm303d  
23.     drivers/l3gd20  
24.     drivers/hmc5883  
25.     drivers/ms5611  
26.     #drivers/mb12xx  
27.     #drivers/srf02  
28.     drivers/sf0x  
29.     #drivers/ll40ls  
30.     drivers/trone  
31.     drivers/gps  
32.     drivers/pwm_out_sim  
33.     #drivers/hott  
34.     #drivers/hott/hott_telemetry  
35.     #drivers/hott/hott_sensors  
36.     #drivers/blinkm  
37.     drivers/airspeed  
38.     drivers/ets_airspeed  
39.     drivers/meas_airspeed  
40.     #drivers/frsky_telemetry  
41.     modules/sensors  
42.     #drivers/mkblctrl  
43.     drivers/px4flow  
44.     #drivers/oreoled  
45.     #drivers/vmount  
46.     drivers/pwm_input  
47.     drivers/camera_trigger  
48.     drivers/bst  
49.     #drivers/snapdragon_rc_pwm  
50.     drivers/lis3mdl  
51.   
52.     #example  
53.     examples/px4_simple_app  
54.     <span style="color:#FF0000;">examples/hello_world</span>  
55.   
56.     #  
57.     # System commands  
58.     #  
59.     systemcmds/bl_update  
60.     systemcmds/config  
61.     systemcmds/dumpfile  
62.     #systemcmds/esc_calib  
63.     systemcmds/mixer  
64.     #systemcmds/motor_ramp  
65.     systemcmds/mtd  
66.     systemcmds/nshterm  
67.     systemcmds/param  
68.     systemcmds/perf  
69.     systemcmds/pwm  
70.     systemcmds/reboot  
71.     #systemcmds/sd_bench  
72.     systemcmds/top  
73.     #systemcmds/topic_listener  
74.     systemcmds/ver  
75.   
76.     #  
77.     # Testing  
78.     #  
79.     #drivers/sf0x/sf0x_tests  
80.     #drivers/test_ppm  
81.     #lib/rc/rc_tests  
82.     #modules/commander/commander_tests  
83.     #modules/controllib_test  
84.     #modules/mavlink/mavlink_tests  
85.     #modules/unit_test  
86.     #modules/uORB/uORB_tests  
87.     #systemcmds/tests  
88.   
89.     #  
90.     # General system control  
91.     #  
92.     modules/commander  
93.     modules/load_mon  
94.     modules/navigator  
95.     modules/mavlink  
96.     modules/gpio_led  
97.     modules/uavcan  
98.     modules/land_detector  
99.   
100.     #  
101.     # Estimation modules  
102.     #  
103.     modules/attitude_estimator_q  
104.     #modules/position_estimator_inav  
105.     modules/local_position_estimator  
106.     modules/ekf2  
107.   
108.     #  
109.     # Vehicle Control  
110.     #  
111.     modules/fw_pos_control_l1  
112.     modules/fw_att_control  
113.     modules/mc_att_control  
114.     modules/mc_pos_control  
115.     modules/vtol_att_control  
116.   
117.     #  
118.     # Logging  
119.     #  
120.     #modules/logger  
121.     modules/sdlog2  
122.   
123.     #  
124.     # Library modules  
125.     #  
126.     modules/param  
127.     modules/systemlib  
128.     modules/systemlib/mixer  
129.     modules/uORB  
130.     modules/dataman  
131.   
132.     #  
133.     # Libraries  
134.     #  
135.     lib/controllib  
136.     lib/mathlib  
137.     lib/mathlib/math/filter  
138.     lib/ecl  
139.     lib/external_lgpl  
140.     lib/geo  
141.     lib/geo_lookup  
142.     lib/conversion  
143.     lib/launchdetection  
144.     lib/terrain_estimation  
145.     lib/runway_takeoff  
146.     lib/tailsitter_recovery  
147.     lib/DriverFramework/framework  
148.     platforms/nuttx  
149.   
150.     # had to add for cmake, not sure why wasn't in original config  
151.     platforms/common  
152.     platforms/nuttx/px4_layer  
153.   
154.     #  
155.     # OBC challenge  
156.     #  
157.     #modules/bottle_drop  
158.   
159.     #  
160.     # Rover apps  
161.     #  
162.     #examples/rover_steering_control  
163.   
164.     #  
165.     # Demo apps  
166.     #  
167.     #examples/math_demo  
168.     # Tutorial code from  
169.     # https://px4.io/dev/px4_simple_app  
170.     #examples/px4_simple_app  
171.   
172.     # Tutorial code from  
173.     # https://px4.io/dev/daemon  
174.     #examples/px4_daemon_app  
175.   
176.     # Tutorial code from  
177.     # https://px4.io/dev/debug_values  
178.     #examples/px4_mavlink_debug  
179.   
180.     # Tutorial code from  
181.     # https://px4.io/dev/example_fixedwing_control  
182.     #examples/fixedwing_control  
183.   
184.     # Hardware test  
185.     #examples/hwtest  
186. )  
187.   
188. set(config_extra_builtin_cmds  
189.     serdis  
190.     sercon  
191.     )  
192.   
193. set(config_io_board  
194.     px4io-v2  
195.     )  
196.   
197. set(config_extra_libs  
198.     uavcan  
199.     uavcan_stm32_driver  
200.     )  
201.   
202. set(config_io_extra_libs  
203.     )  
204.   
205. add_custom_target(sercon)  
206. set_target_properties(sercon PROPERTIES  
207.     PRIORITY "SCHED_PRIORITY_DEFAULT"  
208.     MAIN "sercon" STACK_MAIN "2048"  
209.     COMPILE_FLAGS "-Os")  
210.   
211. add_custom_target(serdis)  
212. set_target_properties(serdis PROPERTIES  
213.     PRIORITY "SCHED_PRIORITY_DEFAULT"  
214.     MAIN "serdis" STACK_MAIN "2048"  
215.     COMPILE_FLAGS "-Os")  

这样cmake的编译系统就会将这个程序加入到编译链中去了。

 在Firmware文件夹下面执行make px4fmu-v2_default，如果不出问题的话，编译成功会显示下面的画面：

 然后将硬件连接至虚拟机，执行烧录命令：make px4fmu-v2_default upload

  按照上一篇文章所讲的那样同Nuttx shell通信 

./mavlink_shell.py /dev/ttyACM0

在nsh中输入help命令之后，你就会在Builtin Apps下面找到hello_world程序

执行hello_world程序：

可以看到输出了hello world！

那么这一切是怎么做到的呢？首先看看代码文件即hello_world.c文件

首先是include

[cpp]  view plain  copy

1. #include <px4_config.h>  
2. #include <px4_tasks.h>  
3. #include <px4_posix.h>  
4. #include <unistd.h>  
5. #include <stdio.h>  
6. #include <poll.h>  
7. #include <string.h>  

这些库文件你可以认为是编写基于Nuttx操作系统修改的px4程序程序必不可少的库文件包含（其实px4团队修改了不少Nuttx操作系统的东西，使其使用更加方便，所以这些程序并不是真正意义上的Nuttx程序）

然后是main函数（这里要提醒一下广大同学，可能px4基于stm32的编译器语法规则过于严格，所以在编写一个函数之前，必须要去申明这个函数，即使这个函数是main函数也要申明，不然编译报错，无法通过）

[cpp]  view plain  copy

1. int hello_world_main(int argc, char *argv[]){  
2.   
3.     PX4_INFO("hello world!");  
4.   
5.     return 0;  
6. }  

可以看到基于Nuttx操作系统的main函数和其它系统的命名有很大不同，但也有自己的规律，那就是函数名+_+main,即 name_main(),程序主函数里的参数(int argc, char *argv[])和其它系统main函数所带的参数没什么不同（如果不懂main函数带形参的同学最好自己百度一下，因为px4的那些程序基本都带参数的）。

 PX4_INFO();是一个类似于printf的函数（事实上他就是是基于printf实现的），用来输出PX4的一些信息的。

 再来看看CMakeLists.txt文件

[cpp]  view plain  copy

1. px4_add_module(  
2.     MODULE examples__hello_world  
3.     MAIN hello_world  
4.     STACK_MAIN 2000  
5.     SRCS  
6.         hello_world.c  
7.     DEPENDS  
8.         platforms__common  
9.     )  

从字面上可以了解到每个程序在CMake里面都是一个模块，最后总的Cmake文件会去自动将这些模块添加到最后的生成的Makefile文件里面。所以我们要做的就是把我们写的模块的一些属性描写清楚，然后将其注册到nuttx_px4fmu-v2_default.cmake文件当中。

  首先是模块名MODULE：这个名字的命名规则是当前文件夹+__+主函数名。

  然后是MIAN ：这个就是用来确定代码中那个函数为主函数的，填写主函数名即可。

  STACK_MAIN：目前暂不清楚用途

  SRCS：所用到的源文件。

  DEPENDS ：依赖。

 以上就是关于编写一个基于Nuttx操作系统hello world程序的全过程。

因为我本人对Cmake的一些语法还不是很清楚，所以以上有些东西可能描述的不是很清楚，如有大神，还望指点。

下面一篇文章我将简介一下大家都很关心和迫切想知道的问题，就是px4的飞控程序是怎么开始执行的，程序入口在哪。