基本上翻译的 https://dev.px4.io/master/en/concept/architecture.html

概念

PX4体系结构概述

PX4主要由两层组成:

飞行堆栈（flight stack）：一个评估和飞行控制系统；

中间件（middleware ）是一个通用的机器人层，可以支持任何类型的自主机器人，提供内部/外部通信和硬件集成。

所有的PX4构型（airframes）共享一个代码库（包括其他机器人系统，如船，漫游者，潜艇等）。整个系统设计是自动调节的（reactive），这意味着:

所有的功能被划分为可交换和可重用的组件
通信是通过异步消息传递完成的
系统可以处理不同的工作负载

高层次的软件架构（High-Level Software Architecture）

下图提供了PX4构建块的详细概述。图的顶部部分包含中间件块，而下面部分显示飞行堆栈的组件。

PX4_Architecture.png

源代码被分成自包含的模块/程序（如图中monospace字体表示的所示，例如mc_att_control）。

通常，一个构建块恰好对应于一个模块。

在运行时，您可以通过shell中的top命令查看执行了哪些模块，每个模块都可以通过<module_name> start/stop单独启动/停止。虽然top命令是特定于NuttX shell的，但是其他命令也可以在SITL shell (pxh>)中使用。有关这些模块的更多信息，请参阅模块和命令参考（Modules & Commands Reference）。

箭头显示模块之间最重要连接的信息流。实际上，实际连接要比显示的多得多，而且大多数模块都要访问一些数据(例如参数)。

模块通过名为uORB的发布-订阅消息总线相互通信。发布-订阅方案的使用意味着:

系统是reactive的——它是异步的。当新的数据可用是会立刻更新
所有的操作和通信都是完全并行的
系统组件可以以线程安全的方式使用来自任何地方的数据

即使在运行时，这种体系结构也允许快速而轻松地替换这些块中的每一个。

飞行堆栈（Flight Stack）

飞行堆栈是自主无人机的制导、导航和控制算法的集合。它包括固定翼、多旋翼和垂直起降飞机的控制器以及姿态和位置的估计器。

下图显示了飞行堆栈构建块的概述。它包含了完整的流程，从传感器，RC输入和自主飞行控制(导航)，到电机或伺服控制(执行器)。

PX4_High-Level_Flight-Stack.png

estimator采用一个或多个传感器输入，组合它们，并计算飞行器的状态。

controller是一种以设定值和测量或估计状态(过程变量)作为输入的组件。它的目标是调整过程变量的值，使其与设定值相匹配。输出是一个修正，最终达到该设定值。例如，位置控制器以位置设定值作为输入，过程变量是当前估计的位置，输出是使车辆向期望位置移动的姿态和推力设定值。

mixer接收force commands(例如向右转)，并将其转换为单个电机的命令，同时确保不超过某些限制。这种转换是特定于飞行器类型的，并取决于各种因素，如与重心有关的马达布置，或车辆的转动惯量。

中间件（Middleware）

中间件（middleware）主要由嵌入式传感器的设备驱动程序、与外部世界(伙伴计算机、GCS等)的通信和uORB发布-订阅消息总线组成。

此外，中间件还包括一个模拟层（simulation layer），该层允许PX4飞行代码在桌面操作系统上运行，并在一个模拟的“世界”中控制计算机建模的飞行器。

更新速率（ Update Rates）

由于模块等待消息更新，通常驱动程序定义模块更新的速度。大多数IMU驱动程序在1kHz采样数据，整合它和发布与250Hz。系统的其他部分(比如navigator)不需要这么高的更新速度，因此运行速度会慢得多。

可以通过运行uorb top在系统上实时检查消息更新率。

运行环境(Runtime Environment)

PX4运行在各种提供POSIX-API的操作系统上(如Linux、macOS、NuttX或QuRT)。它还应该有某种形式的实时调度(如FIFO)。

模块间通信(使用uORB)基于共享内存。整个PX4中间件运行在单个地址空间，即所有模块之间共享内存。

系统被设计成用最小的代价就可以在单独的地址空间中运行每个模块（需要更改的部分包括uORB, parameter interface, dataman and perf)。

有两种不同的方式执行一个模块:

Tasks：模块在自己的任务中运行，具有自己的堆栈和进程优先级。
Work queue tasks：该模块运行在一个共享的工作队列上，与队列上的其他模块共享相同的堆栈和工作队列线程优先级。
- 所有的任务必须协同工作，因为它们不能相互中断。
- 多个工作队列任务可以在一个队列上运行，并且可以有多个队列。
- 通过指定将来的固定时间或通过uORB主题更新回调来调度工作队列任务。
在工作队列上运行模块的优点是它使用更少的RAM，并可能导致更少的任务切换。缺点是不允许工作队列任务对消息进行休眠或轮询，也不允许执行阻塞IO(比如从文件中读取)。长时间运行的任务(执行大量计算)可能也应该在单独的任务中运行，或者至少在单独的工作队列中运行。

在工作队列上运行的任务不会显示在uorb top中(只有工作队列本身可以看到——例如wq:lp_default)。使用work_queue status显示所有活动的工作队列项。

后台任务（Background Tasks）

px4_task_spawn_cmd()用于启动新的任务(NuttX)或线程(POSIX - Linux/macOS)，运行独立于调用(父)任务:

independent_task = px4_task_spawn_cmd(
    "commander",                    // Process name
    SCHED_DEFAULT,                  // Scheduling type (RR or FIFO)
    SCHED_PRIORITY_DEFAULT + 40,    // Scheduling priority
    3600,                           // Stack size of the new task or thread
    commander_thread_main,          // Task (or thread) main function
    (char * const *)&argv[0]        // Void pointer to pass to the new task
                                    // (here the commandline arguments).
    );

OS-Specific Information

NuttX

NuttX是在飞行控制板上运行PX4的主要RTOS。它是开源的(BSD许可)，轻量级，高效和非常稳定。

模块作为任务执行:它们有自己的文件描述符列表，但是它们共享一个地址空间。任务仍然可以启动一个或多个共享文件描述符列表的线程。

每个任务/线程都有一个固定大小的堆栈，并且有一个定期任务检查所有堆栈是否有足够的剩余空间(基于堆栈着色)。

Linux/macOS

在Linux或macOS上，PX4运行在单个进程中，模块运行在它们自己的线程中(在NuttX上，任务和线程没有区别)。

PX4开发文档——PX4体系结构概述