PX4/Pixhawk---uORB深入理解和应用

The Instructions of uORB

『PX4/Pixhawk』   『软件体系结构』 『uORB』 『主题发布』 『主题订阅』

1 简介

1.1 PX4/Pixhawk的软件体系结构

 PX4/Pixhawk的软件体系结构主要被分为四个层次，这可以让我们更好的理解PX4/Pixhawk的软件架构和运作：

• 应用程序的API：这个接口提供给应用程序开发人员，此API旨在尽可能的精简、扁平及隐藏其复杂性。
• 应用程序框架: 这是为操作基础飞行控制的默认程序集（节点）。
• 库: 这一层包含了所有的系统库和基本交通控制的函数。
• 操作系统: 最后一层提供硬件驱动程序，网络，UAVCAN和故障安全系统。

  uORB(Micro Object Request Broker,微对象请求代理器)是PX4/Pixhawk系统中非常重要且关键的一个模块，它肩负了整个系统的数据传输任务，所有的传感器数据、GPS、PPM信号等都要从芯片获取后通过uORB进行传输到各个模块进行计算处理。实际上uORB是一套跨「进程」 的IPC通讯模块。在Pixhawk中， 所有的功能被独立以进程模块为单位进行实现并工作。而进程间的数据交互就由为重要，必须要能够符合实时、有序的特点。
  Pixhawk使用的是NuttX实时ARM系统，uORB实际上是多个进程打开同一个设备文件，进程间通过此文件节点进行数据交互和共享。进程通过命名的「总线」交换的消息称之为「主题」(topic)，在Pixhawk 中，一个主题仅包含一种消息类型，通俗点就是数据类型。每个进程可以「订阅」或者「发布」主题，可以存在多个发布者，或者一个进程可以订阅多个主题，但是一条总线上始终只有一条消息。

1.2 PX4/Pixhawk应用程序框架

  应用层中操作基础飞行的应用之间都是隔离的，这样提供了一种安保模式，以确保基础操作独立的高级别系统状态的稳定性。而沟通它们的就是uORB。

2 uORB文件夹说明

2.1 uORB文件夹结构

2.2 文件/目录说明

topics : 系统通用接口定义的标准主题,比如电池电量转态、GPS的位置参数等
module.mk : uORB模块makefile文件
objects_common.cpp: 通用接口标准主题定义集合，如添加新主题在这里定义
ORBMap.hpp : 对象请求器节点链表管理（驱动节点）
ORBSet.hpp : 对象请求器节点管理（非驱动节点）
Publication.cpp : 在不同的发布中遍历使用
Publication.hpp : 在不同的发布中遍历使用
Subscription.cpp : 在不同的订阅中遍历使用
Subscription.hpp : 在不同的订阅中遍历使用
uORB.cpp : uORB的实现
uORB.h : uORB头文件
uORBCommon.hpp : uORB公共部分变量定义实现
uORBCommunicator.hpp : 远程订阅的接口实现，实现了对不同的通信通道管理，如添加/移除订阅者，可以基于TCP/IP或fastRPC;传递给通信链路的实现，以提供在信道上接收消息的回调。
uORBDevices.hpp :
uORBDevices_nuttx.cpp : 节点操作，close,open,read,write
uORBDevices_nuttx.hpp :
uORBDevices_posix.cpp :
uORBDevices_posix.hpp :
uORBMain.cpp : uORB入口
uORBManager.hpp : uORB功能函数实现头文件
uORBManager_nuttx.cpp : uORB功能函数实现(Nuttx)
uORBManager_posix.cpp : uORB功能函数实现(Posix)
uORBTest_UnitTest.cpp : uORB测试
uORBTest_UnitTest.hpp : uORB测试头文件，包括主题定义和声明等
uORBUtiles.cpp :
uORBUtiles.hpp :

3 常用函数功能解析

int poll(struct pollfd fds[], nfds_t nfds, int timeout)

功能：监控文件描述符（多个）；
说明：timemout=0,poll()函数立即返回而不阻塞；timeout=INFTIM(-1),poll()会一直阻塞下去，直到检测到return > 0；
参数：
    fds:struct pollfd结构类型的数组；
    nfds:用于标记数组fds中的结构体元素的总数量；
    timeout:是poll函数调用阻塞的时间，单位：毫秒；
返回值：
    >0：数组fds中准备好读、写或出错状态的那些socket描述符的总数量；
    ==0:poll()函数会阻塞timeout所指定的毫秒时间长度之后返回;
    -1:poll函数调用失败；同时会自动设置全局变量errno；

int orb_subscribe(const struct orb_metadata *meta)

功能：订阅主题（topic）;
说明：即使订阅的主题没有被公告，但是也能订阅成功；但是在这种情况下，却得不到数据，直到主题被公告；
参数：
    meta:uORB元对象，可以认为是主题id，一般是通过ORB_ID(主题名)来赋值；
返回值：
    错误则返回ERROR;成功则返回一个可以读取数据、更新话题的句柄；如果待订阅的主题没有定义或声明则会返回-1，然后会将errno赋值为ENOENT;
eg:
    int fd = orb_subscribe(ORB_ID(topicName));

int orb_copy(const struct orb_metadata *meta, int handle, void *buffer)

功能：从订阅的主题中获取数据并将数据保存到buffer中；
参数：
    meta:uORB元对象，可以认为是主题id，一般是通过ORB_ID(主题名)来赋值;
    handle:订阅主题返回的句柄；
    buffer:从主题中获取的数据；
返回值：
    返回OK表示获取数据成功，错误返回ERROR;否则则有根据的去设置errno;
eg:
    struct sensor_combined_s raw;
    orb_copy(ORB_ID(sensor_combined), sensor_sub_fd, &raw);

orb_advert_t orb_advertise(const struct orb_metadata *meta, const void *data)

功能：公告发布者的主题；
说明：在发布主题之前是必须的；否则订阅者虽然能订阅，但是得不到数据；
参数：
    meta:uORB元对象，可以认为是主题id，一般是通过ORB_ID(主题名)来赋值;
    data:指向一个已被初始化，发布者要发布的数据存储变量的指针；
返回值：错误则返回ERROR;成功则返回一个可以发布主题的句柄；如果待发布的主题没有定义或声明则会返回-1，然后会将errno赋值为ENOENT;
eg:
    struct vehicle_attitude_s att;
    memset(&att, 0, sizeof(att));
    int att_pub_fd = orb_advertise(ORB_ID(vehicle_attitude), &att);

int orb_publish(const struct orb_metadata *meta, orb_advert_t handle, const void *data)