基于RT-Thread的RoboMaster電控框架（六）

背景

使用的開發(fā)板為大疆的 RoboMaster-C 型開發(fā)板，基礎(chǔ)工程為 rt-thread>bsp>stm32f407-robomaster-c

MSG模塊開發(fā)

MSG 模塊主要應(yīng)用于應(yīng)用層線程間通訊，實(shí)現(xiàn)一種發(fā)布者發(fā)布話題，訂閱者訂閱話題的通訊方式。接下來主要討論開發(fā) MSG 模塊的初衷，以及與其他線程間通訊方式的對(duì)比。

開發(fā)的初衷是受 ROS 及其他學(xué)校的如吉林大學(xué)的軟總線中心，湖南大學(xué)的消息中心模塊的啟發(fā)，（主要還是苦全局變量久矣），開發(fā)一套簡單易用、線程安全、模塊解耦、邏輯清晰的線程間通訊機(jī)制顯得尤為重要。

但是 RTOS 中不是已經(jīng)提供了諸如：郵箱，消息隊(duì)列、信號(hào)（軟中斷，這里不具體討論）的線程間通信機(jī)制，為什么不直接用呢？接下來就對(duì)各個(gè)通信方式進(jìn)行對(duì)比分析：

郵箱：郵箱中的每一封郵件只能容納固定的 4 字節(jié)內(nèi)容，當(dāng)需要傳輸更大的數(shù)據(jù)時(shí)，可以將指針作為郵件的內(nèi)容進(jìn)行傳輸。但使用郵箱有一個(gè)問題：接收郵件，就會(huì)將郵件取出，也就是說，發(fā)出去的信只有一份，被一個(gè)線程接收后，其他的線程就收不到這封信了，因此面對(duì)多個(gè)消費(fèi)者的情況時(shí)就會(huì)出現(xiàn)問題。而且郵箱的機(jī)制是必須要現(xiàn)有生產(chǎn)者發(fā)出一封郵件，對(duì)應(yīng)的消費(fèi)者才有郵件可讀，也就是說，每次讀取其實(shí)是阻塞性質(zhì)的，生產(chǎn)者的郵件發(fā)出之前，消費(fèi)者是讀不到數(shù)據(jù)的，也不能讀取使用上一次的歷史數(shù)據(jù)，因此只要生成者發(fā)送郵件不及時(shí)就容易出現(xiàn)問題。

但是在機(jī)器人的開發(fā)中，經(jīng)常會(huì)面對(duì)多個(gè)消費(fèi)者，以及當(dāng)數(shù)據(jù)更新不及時(shí)但為了維持控制頻率就先延用上一次數(shù)據(jù)的情況（當(dāng)然，長時(shí)間數(shù)據(jù)未更新的情況下沿用歷史數(shù)據(jù)是絕對(duì)不行的！輕則抖動(dòng)，重則失控！例如遙控器、電機(jī)離線等，對(duì)于這些情況也有相應(yīng)的離線檢測和處理機(jī)制）。

消息隊(duì)列：消息隊(duì)列是郵箱的擴(kuò)展，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)就包括指向消息的指針和消息的長度，便于數(shù)據(jù)解析獲取。但上述郵箱通訊方式的弊端依舊存在。

全局變量：全局變量讀寫直接快速，使用簡單，但其如果在 RTOS 中濫用，其危害性就很恐怖了，我們應(yīng)該盡量避免使用全局變量，具體的影響和危害就不展開講了。

MSG模塊：msg 模塊主要解決的就是上述郵箱及消息隊(duì)列面對(duì)多個(gè)消費(fèi)者等問題，以及避免全局變量滿天飛的情況。msg 模塊較為輕量化，是對(duì) ROS 通訊機(jī)制的拙略模仿，模仿其話題、發(fā)布者、訂閱者之間的通訊機(jī)制。訂閱者讀取話題，并不會(huì)取出及改動(dòng)話題的數(shù)據(jù)，不會(huì)影響到其他訂閱者對(duì)話題的讀取。并且訂閱者讀取話題時(shí)不是阻塞的，不需要發(fā)布者先更新話題，訂閱者和發(fā)布者之間并沒有先后順序。而且其是線程安全的，使用信號(hào)量進(jìn)行保護(hù)，不過讀寫速度肯定不如直接使用全局變量快，但基本可以忽略，利遠(yuǎn)大于弊。

代碼實(shí)現(xiàn)

這是對(duì)話題、訂閱者、發(fā)布者這幾個(gè)重要對(duì)象的定義。話題對(duì)象包含名字（訂閱和發(fā)布的話題主要就通過名字判斷和聯(lián)系起來）、指向數(shù)據(jù)的指針、提供安全性的信號(hào)量；發(fā)布者和訂閱者包含話題名稱、指向話題的指針、消息的長度。這里需要注意，話題中 msg 示例的數(shù)據(jù)格式，需要發(fā)布者和訂閱者都知道才能正確解析，和 ROS 中的 msg 類似。

/**

• @brief 話題類型

/
typedef struct topic
{
char name[MSG_NAME_MAX];
void msg; // 指向msg實(shí)例的指針
rt_sem_t sem;
} topic_t;
/

@brief 訂閱者類型.每個(gè)發(fā)布者擁有發(fā)布者實(shí)例,并且可以通過鏈表訪問所有訂閱了自己發(fā)布的話題的訂閱者

*/
typedef struct sublisher
{
const char topic_name;
topic_t tp; // 話題的指針
uint8_t len; // 消息類型長度
} subscriber_t;
/

@brief 發(fā)布者類型.每個(gè)發(fā)布者擁有發(fā)布者實(shí)例,并且可以通過鏈表訪問所有訂閱了自己發(fā)布的話題的訂閱者

*/
typedef struct publisher
{
const char *topic_name;
topic_t *tp; // 話題的指針
uint8_t len; // 消息類型長度
} publisher_t;

以下是訂閱者和發(fā)布者注冊(cè)的函數(shù)，其注冊(cè)不需要分先后順序：

/**

@brief 注冊(cè)成為消息發(fā)布者

@param name 發(fā)布者發(fā)布的話題名稱(話題)
@param len 消息類型長度,通過sizeof()獲取
@return publisher_t* 返回發(fā)布者實(shí)例
*/
publisher_t *pub_register(char *name, uint8_t len){
uint8_t check_num = check_topic_name(name);
publisher_t *pub = (publisher_t *)rt_malloc(sizeof(publisher_t));
if(!check_num){ // 如果不存在重名的話題實(shí)例
topic_obj[idx] = (topic_t )rt_malloc(sizeof(topic_t));
rt_memset(topic_obj[idx], 0, sizeof(topic_t));
if(topic_obj[idx] == NULL){
LOG_E("malloc failed!");
return NULL;
}
topic_obj[idx]->msg = (void )rt_malloc(len);
if(topic_obj[idx]->msg == NULL){
LOG_E("malloc failed!");
return NULL;
}
topic_obj[idx]->sem = rt_sem_create(name, 1, RT_IPC_FLAG_PRIO);
rt_strcpy(topic_obj[idx]->name, name);
pub->tp = topic_obj[idx];
pub->topic_name = topic_obj[idx]->name;
pub->len = len;
idx++;
}
else{
pub->tp = topic_obj[check_num - 1];
pub->topic_name = topic_obj[check_num - 1]->name;
pub->len = len;
}
return pub;
}
/
@brief 訂閱name的話題消息

@param name 話題名稱

@param data 消息長度,通過sizeof()獲取
@return subscriber_t* 返回訂閱者實(shí)例
*/
subscriber_t *sub_register(char *name, uint8_t len){
// 和發(fā)布者同樣的流程，直接調(diào)用發(fā)布者的注冊(cè)函數(shù)
subscriber_t *sub = (subscriber_t *)pub_register(name, len);
return sub;
}

注冊(cè)時(shí)通過傳入的話題名稱和消息長度創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的話題，會(huì)先檢查目前已有的話題中是否有同樣名稱的話題，如有則返回已有的話題地址，如果沒有那就創(chuàng)建新的話題。

因此，話題的名稱很重要，如果訂閱者和發(fā)布者創(chuàng)建時(shí)名稱差了一個(gè)字符就會(huì)對(duì)不上，推薦話題的名稱直接使用宏定義進(jìn)行管理，避免出錯(cuò) （否則出錯(cuò)了很難查的）

以下是訂閱者和發(fā)布者處理話題的簡單實(shí)現(xiàn)：

/**

• @brief 發(fā)布消息
• @param pub 發(fā)布者實(shí)例指針
• @param data 數(shù)據(jù)指針,將要發(fā)布的消息放到此處
• @return uint8_t 返回值為0說明發(fā)布失敗,為1說明發(fā)布成功
  */
  uint8_t pub_push_msg(publisher_t pub, void data){
  if(rt_sem_take(pub->tp->sem, RT_WAITING_NO)){
  LOG_W("take sem failed!");
  return 0;
  }
  rt_memcpy(pub->tp->msg, data, pub->len);
  rt_sem_release(pub->tp->sem);
  return 1;
  }
  /
  @brief 獲取消息

@param sub 訂閱者實(shí)例指針
@param data 數(shù)據(jù)指針,接收的消息將會(huì)放到此處
@return uint8_t 返回值為1說明獲取到了新的消息
*/
uint8_t sub_get_msg(subscriber_t *sub, void *data){
rt_memcpy(data, sub->tp->msg, sub->len);
return 1;
}

可以看出目前是十分簡陋的（輕量化（不是），只有在發(fā)布者更新話題時(shí)使用信號(hào)量進(jìn)行了保護(hù)，從而保證寫入的完整性。但訂閱者獲取消息是沒有保護(hù)的，因?yàn)橹灰ＷC了發(fā)布者更新數(shù)據(jù)的完整性，訂閱讀取話題是沒有問題的。

但其也是還有許多需要完善的地方，魯棒性仍需加強(qiáng)，例如 rt_memcpy 并不保證原子性。這里主要就是提供一個(gè)解決思路，拋磚引玉。

使用示例
/* 首先需要在.h文件中定義話題的數(shù)據(jù)格式 /
struct msg_test{
uint8_t id;
uint8_t data[5];
}
/ 在發(fā)布者的.c文件中 */
publisher_t pub;
stuct msg_test msg_p;
pub = pub_register("msg_test", sizeof(struct msg_test));
msg_p.id = 1;
for(uint8_t i = 0, i < 5, i++){
msg_p.data[0] = i;
}
pub_push_msg(pub, &msg_p);
/ 在訂閱者的.c文件中 */
subscriber_t *sub;
stuct msg_test msg_s;
sub = sub_register("msg_test", sizeof(struct msg_test));
sub_get_msg(sub, &msg_s);