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01 · NxtPX4飞控板 & 固件的烧录

Cortex-M7 & STM32H743VIH6概览

🎺Core

• 480MHz ARM Cortex -M7

• 片内外设
• FPU
• NVIC
• Memory Protect Unit
• SYstem Control Block
• System timer
• SysTick，24位宽的一个计数器，可以给RTOS提供时钟源
• Integrated instruction and data caches
• L1 一级片内Cache

• 工作模式
• Tread Mode 线程模式
• 上电启动后的默认工作模式，用于执行应用程序代码
• Handler Mode 处理器模式
• 当Cortex-M7处理器接收到异常时，就会从线程模式切换到处理器模式，这时候会执行异常处理程序或中断服务程序。在该模式中，处理器会以更高的特权级别状态执行，以确保对异常的正常处理；
• Handler mode 提供了一组特殊的寄存器，用于保存和处理异常相关的上下文信息，例如异常返回地址、堆栈指针和异常状态寄存器。这些寄存器的使用和保存方式在 Cortex-M 处理器的架构中有明确定义。

• 特权级别
• Unprivileged
• 对System Register的访问受到限制
• 不能使用CPS指令来屏蔽中断
• 不能访问System Timer、NVIC与System control block这三种片内外设
• 可以限制程序能够访问的内存与外设
• Privileged
• 程序可以使用所有指令，对片内和片上的所有资源拥有访问权
在线程模式中，我们通过CONTROL Register来设定正在执行的程序的特权级别；在处理器模式下运行的所有程序总是为Privileged特权。只有Privileged特权级别的程序才能够读写CONTROL Register，修改线程模式下运行程序的特权级别。非特权程序可以使用 SVC 指令发起一个特权调用，以将控制权转移给特权程序。

• Stack
• 这款处理器有两个完整的降序堆栈 Main Stack 与 Process Stack，入栈时栈顶指针向较低地址方向移动。

• 片内核心寄存器

🎺Memory

• 资源
• 片内 L1-Cache （32KB）
• 16KB的I-Cache（存放需要频繁访问的指令的副本）与16KB的D-Cache（存放需要频繁访问的数据的副本）
• 片内 TCM （192KB）
• 64KB的ITCM与两片64KB的DTCM，分别挂载在ITCM总线与DTCM总线上。
• ITCM总线与DTCM总线是CPU与代码区和数据区沟通的桥梁之一。TCM总线上挂载的ITCM用于存储对实时性响应和访问频率很高的代码；DTCM则用来存储运行时程序的堆栈。
What is the difference between data, instruction, and flash CCM RAM on the STM32
Page 14 of this STM32F7 architecture overview document shows memory addresses for: FLASH-ITCM (unkown size on the F730 I'm using) DTCM-RAM (64KB) ITCM-RAM (16KB) What is the difference between th...

https://stackoverflow.com/questions/54930005/what-is-the-difference-between-data-instruction-and-flash-ccm-ram-on-the-stm32

• 片上 Flash （2MB+128KB+2KB）
• 其中2MB分成两个bank，每个挂载1MB，属于User Flash Memory
• Bank 1: Start address 0x0800:0000 to 0x080F:FFFF with 8 sectors, 128Kb each
• Bank 2: Start address 0x0810:0000 to 0x081F:FFFF with 8 sectors, 128Kb each
• 还有128 KB的System flash memory，存放了出场自带的boot loader
• Bank 1: Start address 0x1FF0:0000 to 0x1FF1:FFFF with 1 x 128Kb sector
• Bank 2: Start address 0x1FF4:0000 to 0x1FF5:FFFF with 1 x 128Kb sector
• 2 Kbytes (64 flash words) of user option bytes for user configuration
• only bank 1
• 片上 RAM
• AXI-RAM、SRAM1-4，还有BackupSRAM与DTCM&ITCM
• QSPI
• 133MHz 双模 Memory Interface, 挂载这片8GB的SD卡
• FMC
• Flexible external memory controller with up to 32-bit data bus: SRAM, PSRAM, SDRAM/LPSDR SDRAM, NOR/NAND flashmemory clocked up to 100 MHz in Synchronous mode

虚拟地址物理地址等众多地址及MMU相关知识_虚拟地址 stm32-CSDN博客

文章浏览阅读1.5k次，点赞4次，收藏26次。虚拟地址物理地址等众多地址及MMU相关知识先聊聊存储器STM32单片机存储器关于编译器生成的文件数据在存储器上的存储结构物理地址、虚拟地址、线性地址和逻辑地址物理地址虚拟地址逻辑地址线性地址这些地址之间的关系总结加载地址/存储地址和运行地址/链接地址加载地址运行地址MMU什么是MMU最后先聊聊存储器存储器是单片机结构的重要组成部分，存储器是用来存储编译好的程序代码和数据的，有了存储器单片机系统才具有记忆功能。按照存储介质的特性，可以分“易失性存储器”和“非易失性存储器”两类。易失性存储器断电后，里面存储_虚拟地址 stm32

https://blog.csdn.net/weixin_45905650/article/details/108096863

• 代码区、数据区、寄存器和I/O设备同一编址

• 小端模式

• 可寻址的内存空间被划分为八个主要块，每个块大小为 512 MB。

🎺Clock

• 三组PLL。一组给System Clock（480MHZ max），另外两组给内核时钟

• 内部时钟
• 64 MHz HSI clock (Default)
• 48 MHz RC oscillator
• 4 MHz CSI clock （低功耗内部时钟）
• 32 kHz LSI clock

• 外部时钟
• HSE clock: 4-50 MHz (generated from an external source) or 4-48 MHz(generated from a crystal/ceramic resonator)
• LSE clock: 32.768 kHz

🎺Bus

• 一组 64位宽的AXI(Advanced eXtensible Interface)矩阵总线
• 在存储方面，挂载了2MB的片上Flash、512KB的SRAM、FMC和QSPI，可以扩展RAM和Flash

• 两组 32位宽的AHB(Advanced High-performance Bus)矩阵总线
• 这两个总线上又挂载了部分SRAM

• 还有192KB的RAM直接连在CPU上面的TCM总线：ITCM&DTCM
• Used in Critical Real-time task
• MDMA can be used to load code or data in ITCM or DTCM RAMs.
 

• SRAM为什么要这样拆开放在不同总线上？
• F401上只有一组AHB矩阵总线，H7多出来的AXI总线是为了扩展Memory而专门设计。详细参见Cortex-M7示意图，是有一个转额的AXIM拿来连上AXIBus，扩展Memory
• 只有AXI和一组AHB矩阵总线连到了CPU，还有一条AHB连的是AXI

Cortex-M7 如何启动？

zhuanlan.zhihu.com

https://zhuanlan.zhihu.com/p/511268958

🎺从哪儿启动？——Boot Mode

• 完整的的Flash地址空间

• 完整的RAM地址空间

• The System memory bootloader

• BOOT为0时，从BOOT_ADD0寄存器中存储的地址开始执行第一行代码（默认为0x0800 0000，User Falsh Memory Bank1）

• BOOT为1时，从BOOT_ADD1寄存器中存储的地址开始执行第一行代码（默认为0x1FF0 0000，128KB的System Flash Memory）

• 当用户指定的启动地址不合法时（超出了可指定的地址范围/指定在Reserved区），系统会从以下两个默认地址开始启动：
• Boot address 0: User FLASH at 0x0800 0000
• Boot address 1: ITCM-RAM at 0x0000 0000

• 当启用 Flash level 2 protection 时，只能从Flash存储器启动。
• 如果在BOOT_ADD0 / BOOT_ADD1选项字节中已编程的引导地址超出了存储器范围或属于RAM地址范围，则会强制从Flash存储器的地址0x0800 0000处进行默认读取。

⚠️如何启动？—— RESET中断

• RESET中断的优先级是-3（所有中断中的最高优先级）
• 当复位信号被激活时，处理器的运行停止，可能停在指令的任意一个点上。这意味着正在执行的指令可能无法完成，处理器的状态被重置为初始状态。
• 当复位信号被取消激活时，处理器的执行将从向量表中复位入口指定的地址重新开始。执行重新以特权模式和线程模式进行。

每当Reset中断被触发时（上电复位，硬件复位和软件复位），Cortex-M7内核要做的事就是读取下面两个32位整数的值：

• 从 0x00000000 处取出堆栈指针SP的初始值，该值即为栈顶地址

• 从 0x00000004 处取出程序计数器指针PC的初始值，该值指向复位后执行的第一条指令。

什么是DFU模式？

🎺上电进入DFU模式

• 按住boot上电（BOOT高电平，默认从System Memory启动），下图说明了这样上电后芯片的工作流程：

• 默认的启动位置是从0x1FF0 0000，128KB的System Flash Memory，在这一片区域里，就存储了由ST公司开发的，出厂自带的Embedded BootLoader，它位于 0x1FF0 9800 。换句话说，如果以默认的BOOT1模式启动，就会执行ST公司的BootLoader。

• H743系列的Embedded BootLoader支持通过IIC、SPI、USART、FDCAN和DFU将引导用户将代码下载到User Flash中（0x8000 0000），可选择的通信方式非常多。在按住这块飞控板的boot键上电后，将以左图所示启动
• RESET
• 初始化时钟源头
• 系统初始化
• USB、IIC、SPI初始化
• 循环扫描选择bootloader通信接口

🎺执行程序进入DFU模式

• 上电后执行已有的固件，我们可以写一个函数来让程序跳转到EmbeddedBootloder（0x1FF0 9800），进入DFU模式。在QGroundControl软件中，就能一键升级PX4固件，或许使用的就是这个方法🤔

【经验分享】STM32H7的系统bootloader基础知识 - STM32团队 ST意法半导体中文论坛

67.1 初学者重要提示 本章主要为大家介绍系统bootloader的理论知识，下个章节为大家实战。 67.2 系统bootLoader基础知识STM32的系统存储区自带bootloader，此程序是ST ... 【经验分享】STM32H7的系统bootloader基础知识 ,ST意法半导体中文论坛

https://shequ.stmicroelectronics.cn/thread-632468-1-1.html

烧录bootloader与hkust_nxt固件

🎺DFU烧录hkust_nxt_bootloader

🎺QGC烧录hkust_nxt飞控固件 ✅

• QGroundControl, (QGC)上提供了一种操作很简单的图形化界面来实现烧录PX4系列周边固件（前提是板子里有px4的bootloader，比如hkust_nxt_bootloader）。只需要启动该软件，进入该界面，用USB连接飞控板即可，详细步骤见下文。

加载固件 | PX4 自动驾驶用户指南 (v1.13)

PX4 is the Professional Autopilot. Developed by world-class developers from industry and academia, and supported by an active world wide community, it powers all kinds of vehicles from racing and cargo drones through to ground vehicles and submersibles.

https://docs.px4.io/v1.13/zh/config/firmware.html

zhuanlan.zhihu.com

https://zhuanlan.zhihu.com/p/529006344

02 · PX4-Autopilot 体系架构

• Flight Controller
• 运行PX4的飞控固件，通常包含了内置的IMU、指南针和磁力计等

• ESC & Motors
• 链接到PWM outputs, DroneCAN (支持双向通信) 或其它的电机驱动方式

• Sensors
• Distance sensors, barometers, optical flow, barometers, ADSB transponders, etc.) connected via I2C, SPI, CAN, UART etc.

• 相机或者其它的Payload
• Cameras can be connected to PWM outputs or via MAVLink

• Telemetry radios
• 连接到ground station computer /software

• RC Control System
• Manual control

• Ground station computer typically runs QGroundControl, MAVSDK or ROS.

Flight Controller——NxtPt4飞控固件&NuttX😵💫😵💫😵💫

Question哭

• 怎么确定一个app是属于用户态还是内核态？我们引入的bmi088的驱动程序是属于用户态还是内核态？与NuttX自带的一些驱动程序有何区别？

🎺代码架构逻辑

• 两个部分(图中虚线框)
• NuttX部分，位于/platform&/board
• PX4 Application部分，位于/src

• 这两部分细分为七层(图中红色/黄色圆角矩形)
• 硬件抽象层
• kernel内核
• 系统调用接口syscall
• NuttX Subsystem
• 传感器驱动Drivers
• 中间层Middleware
• 应用程序/模组。

• 七层分属两个态(图中蓝色紫色分界线)
• 前两层属于Kernel-mode内核态
• 后五层属于User-mode用户态。

 

 

 

 

编译器是如何知道UnPrivileged程序不能使用哪些程序？如何知道它正在编译的代码的特权级别？

• 驱动程序 Drivers
• 驱动程序比较复杂，在上面的代码逻辑示意图中，出现了三处Drivers
• 按照所驱动的设备分类，可以分成三种：Character Device（字符型设备）、Block Device（块型设备）与 Specialized Decive。此处的设备既可以是ADC、I2C等外设，也可以是SD卡、显示屏、摄像头等设备。
• 而驱动某一个设备的代码，是有不同层级的。不同的代码具有不同的运行逻辑（App-logic / OS-logic，对应用户态和内核态）以及与底层芯片的解耦性。这时候，就要将某一个设备的驱动代码分为了三个层级——以MPU6050为例子——配置IIC通信总线相关代码属于Layer.1 的Peripheral Drivers，这需要直接操纵寄存器；使用IIC通信发送/接收字节相关代码属于Layer.2 的IIC Device Drivers；读取MPU6050测得的加速度数据相关代码属于Layer.5 中的Device Drivers。

本文的主要目的是理清代码架构，简要了解原理。至于代码实现细节，参考“嵌入式操作系统笔记”

✨NuttX部分

Layer1. 硬件抽象层 [Kernel-mode]

这是与具体硬件结合的最紧密的一层，分为两部分。它对板子上的MCU、引脚、所连接的元件做出初始化配置，并向上提供基本函数，是将开发工作从具体硬件中抽离出的第一步。它也是NuttX中最底层的部分。

• MCU/Soc等C级的外设库函数
• 直接与MCU打交道，与具体芯片密切相关。用过往开发经验类比，这一层类似于“HAL库”、“标准外设库函数”，而这些库函数是由NuttX提供的
• 根目录：platform/nuttx/NuttX/nuttx/arch
在这个目录里：
• /<arc-name> ：在arch目录里有众多以「芯片架构」命令的文件夹。NuttX系统支持很多架构的芯片，比如常见的ARM、MIPS、X86等等。对于NxtPX4，这里应该进入到/arm
• /<arc-name>内的/src与/include：这里面就是各种各样片内、片外外设的库函数了，比如默认时钟树配置、gpio等各种外设的初始化。在这个目录下

• Peripheral Drivers（Architecture-Related，OS-logic）
• 调用上面的库函数，设计出一套通用的外设初始化等等与芯片具体体系架构解耦的接口，方便更高层的驱动程序调用。
• 根目录：platforms/nuttx/NuttX/nuttx/drivers
在这个目录里：
• /<Peripheral-name>这drivers目录里有各个外设命名的文件夹，调用/arch文件夹里提供的函数，为上层提供与具体硬件架构解耦的通用函数。以i2c_driver为例，提供初始化、总线选择等等接口。

• 板级的引脚、元件配置
• 通过简单的config来告诉NuttX：板子的MCU型号、需要用到哪些外接设备、这些设备用了哪些外设、连在哪些针脚上、初始化参数等配置。
• 位于 board 文件夹内：boards/hkust/nxt-v1，包含了三种config文件：
• Processor architecture specific files (ARM Cortex-7)
• Chip/SoC specific files (STM32-H743)
• Board specific configurations (NxtPt4)

 

 

 

 

 

 

 

• 任务调度
• 位于 platform 文件夹内：
• platforms/nuttx/NuttX/nuttx/sched
sched是scheduler的缩写，这个文件夹里的装载的是“The files forming core of the NuttX RTOS reside here.” 包括时钟管理、系统启动、中断处理等一个RTOS必备的基本代码。去掉这个目录中的任何一个文件都会导致系统异常运行，甚至无法启动。

• 内存、I/O管理以及文件系统
• 位于 platform 文件夹内：
• platforms/nuttx/NuttX/nuttx/中/mm和/fs

内存是嵌入式系统中非常重要的资源，RTOS同样需要内存管理功能，用于对内存资源进行管理和分配。但由于RTOS对实时性的要求，其内存管理的方法更简单快速。

嵌入式设备又有显示屏、键盘、网络等输入输出设备，系统同样需要对这些外围设备进行管理和控制，并提供统一的接口。

嵌入式文件系统作为一个可扩展的模块，能在硬件资源支持的环境下更高效的存储、管理数据。NuttX的文件系统与Linux十分相似，并且还支持配置环境变量。

这一层应该还有更多细节，到时候新开一篇文章仔细研究下。

（TODO）理清sched目录下的每一个子文件夹是干什么的，有何联系。

• 相较于生活中常见的通用操作系统，实时操作系统有何特点呢？
• 强调实时性与确定性：在指定时间内，保证完整任务
• 强调可嵌入性、可裁剪性：大多数嵌入式设备的系统资源都很有限，要求操作系统能按照需求被灵活的裁剪

• 相较于开发中常见的实时操作系统，NuttX有何特点呢？
• POSIX标准的支持——这个系统甚至有Shell❗️——NuttX Shell之nsh！这为NuttX带来了有如Linux、macOS中terminal般的体验
zhuanlan.zhihu.com

https://zhuanlan.zhihu.com/p/392588996
• 将NxtPX4飞控板通过usb-c连接到电脑上后，打开QGC，单击界面左上角的QGC图标，选择Analyze Tools。之后，点击左侧MAVLink Console即可。

“Provides a connection to the vehicle's system console."



• 其它特点：
About Apache NuttX — NuttX latest documentation
NuttX is a real time embedded operating system (RTOS). Its goals are:

https://nuttx.apache.org/docs/latest/introduction/about.html

• NuttX的两种构建模式：
若将NuttX构建为单独的内核（使用CONFIG_BUILD_PROTECTED=y或CONFIG_BUILD_KERNEL=y），则将构建此目录。该目录保存了一个用于User-mode应用程序与kernel-mode内核程序之间通信的系统调用接口。

可以使用正则表达式^(/*)*text 来在VScode里排除在注释中的搜索答案。

^(/*)*(CONFIG_BUILD_PROTECTED=y|CONFIG_BUILD_KERNEL=y)

• 在大多数微控制器（MCU）中，NuttX被构建为一个扁平的、单一的可执行映像，其中包含了NuttX实时操作系统和所有应用程序代码。RTOS代码和应用程序在同一个地址空间和相同的内核模式特权下运行。
• 为了利用某些处理器的安全功能，还支持另一种构建模型：NuttX可以作为一个单独构建的内核模式模块，应用程序可以作为单独构建的用户模式模块添加进来。

• 什么是Syscall系统调用？
• 操作系统作为用户和计算机之间的接口，需要向上提供一些简单易用的服务。主要包括命令接口和程序接口。一些系统调用会被封装为库函数更加方便的调用，如果你选择构建“NuttX Libraries”的话，即可使用一些memset、printf等函数。

• 位于 platform 文件夹内的 inlcude 和 syscall 文件夹内
• platforms/nuttx/NuttX/nuttx/include
• platforms/nuttx/NuttX/nuttx/syscall

✨PX4 Application部分

PX4能够运行在支持POSIX-API的操作系统上（Linux、macOS、NuttX与QuRT），并且要求系统支持一些实时性的调度策略（比如FIFO）

上面的黄色标题都是基于具体硬件(NxtPX4)，进行有关操作系统的开发，均位于/platform（根目录的/board 实际上是/platform/nuttX/NuttX/nuttx/board中的内容）

从下面红色标题部分开始是基于具体操作系统（NuttX）进行的开发，是PX4-AutoPilot在“如何控制飞行器”这一功能上的核心代码了。就像运行在iOS上的“飞书”一般，它们是运行在NuttX这一操作系统上的应用软件。包括了硬件的驱动程序、飞控应用程序、信息交流程序。

Layer5～7的整体架构图如右图所示。它们的代码位于 /src 内。

源代码被拆分为许多相互独立的模块/程序 (图中使用 monospace 字体表示)。 通常来说一个图中的积木块对应一个功能模块。

右图中的箭头表示的是各个模块之间 最重要的 信息流连接。 实际运行时各模块之间信息流的连接数目比图中展示出来的要多很多，且部分数据（比如：配置参数）会被大部分模块访问。The arrows show the information flow for the most important connections between the modules

飞行控制栈是针对自主无人机设计的导航、制导和控制算法的集合。

• 位于 src 文件夹内的drivers：src/drivers
• 如右图所示，里面有很多元件，比如将控制信号转换为物理机械运动的Actuator、ADC、磁力计、加速度计等
这里为什么会有bootloader？而且看不懂里面的功能是干嘛的🤔

uORB Messaging | PX4 User Guide (v1.13)

PX4 is the Professional Autopilot. Developed by world-class developers from industry and academia, and supported by an active world wide community, it powers all kinds of vehicles from racing and cargo drones through to ground vehicles and submersibles.

https://docs.px4.io/v1.13/en/middleware/uorb.html

🎺程序运行逻辑

晕晕的

uORB Messaging | PX4 User Guide (v1.13)

PX4 is the Professional Autopilot. Developed by world-class developers from industry and academia, and supported by an active world wide community, it powers all kinds of vehicles from racing and cargo drones through to ground vehicles and submersibles.

https://docs.px4.io/v1.13/en/middleware/uorb.html

Ground Station——QGroundControl

这部分用做一个简单的积累部分

Simulator——jmavSim

“前面的区域，以后再来探索吧～”

Mission Computer

“前面的区域，以后再来探索吧～”