以下文章來源于嵌入式系統專家之聲

作者：Clemens Valens（Elektor） 編譯：何靈淵

摘要

Zephyr是一個針對資源受限設備優化的小型、可縮放、多體系架構實時操作系統（RTOS）。Zephyr由Linux基金會維護[1]，是一個以構建業界最佳的RTOS為目標的開源合作項目。近年來，Zephyr OS在嵌入式開發中的知名度逐漸增加，新的微控制器和開發板都支持Zephyr。本文將深入討論Zephyr RTOS的技術細節。

Zephyr有著可縮放性，這讓它能夠寬泛地適用于資源限制各不相同的多種設備。Zephyr模塊化的結構讓開發者能夠只包括他們需要的組件，從而降低系統尺寸，達到系統的可縮放性。Zephyr在網站上聲稱可以在內存小到8KB，大到GB的系統上運行。

1. 寬泛的硬件支持

Zephyr支持眾多體系結構，包括Arm、x86、RISC-V、Xtensa、MIPS等，并借由Nios2和MicroBlaze軟核支持FPGA。本文成文時，Zephyr支持超過600種開發板，包括Arduino UNO R4 Minima、GIGA R1 WiFi和Portenta H7、多種ESP32板、BBC micro:bit的所有版本、樹莓派Pico（甚至是樹莓派4B+）、nRF51和nRF52板、NXP MIMXRT1010-EVK和其家族，以及STM32 Nucleo和Discovery家族。以上我只列舉了在Elektor上常看到的開發板，還有其他許多Zephyr支持的硬件。

除了包含處理器的開發板，Zephyr還支持許多附加板（背板），并包括了各類接口和超過150種傳感器的驅動。

2. 多任務、網絡和電源管理

作為一款實時操作系統（RTOS），Zephyr提供搶占式多任務調度、任務間通信和實時時鐘支持。OS還支持多種網絡技術與協議，例如TCP/IP、藍牙、IEEE 802.15.4（在Zigbee中使用）、MQTT、NFS與LoRaWAN。網絡支持加上電源管理功能讓Zephyr適合強調能源效率的物聯網（IoT）應用和使用電池驅動的設備。

Zephyr中的一組軟件庫和中間件能夠簡化常見的任務，像是通信協議、文件系統和設備驅動。

Zephyr還針對安全認證設計，比如ISO 26262，這讓它適用于安全關鍵應用。

3. 受Linux啟發

Zephyr并不是Linux，但是它借鑒了Linux的概念、技術和工具。例如Zephyr使用Kconfig配置操作系統，硬件的屬性和配置則用設備樹規范（Device Tree Specification——DTS）[2]描述。因此，Linux開發者能快速上手Zephyr編程。

4. 開源

Zephyr使用較為寬松的Apache 2.0許可證，允許商業和非商業用途。Zephyr的用戶社區提供支持和文檔，你也可以加入社區。

5. 嘗試Zephyr

我一直都想要嘗試Zephyr，但是我對它的第一印象不太好，所以就一直沒有深入了解。我之前遇到的主要問題（除了順利編譯源代碼以外）是它需要一個能對目標控制器進行編程的連接器，這對于創客不太友好。多虧了Arduino和其引導程序，我們不再需要特別的編程工具。

5.1 選擇一個開發板

自從我上次嘗試Zephyr以來，其發展日新月異。今天，Zephyr支持超過600種不同的微控制器開發板，你很可能已經擁有幾塊支持Zephyr的開發板了。閱讀詳細的支持列表，我發現我已經擁有十幾塊支持Zephyr的開發板了。

5.2 BBC micro:bit

我嘗試了許多塊開發板，最后決定在BBC micro:bit上進行實驗（見圖1，取決于型號，Zephyr使用目標名bbc_microbit或者bbc_microbit_v2）。micro:bit除了很常見以外，它對Zephyr的支持可能是最好的，所有的外設都可以使用，而且有樣例代碼。最好的是，編程和調試都不需要額外的工具。流行的ESP-WROOM-32（Zephyr目標名esp32_devkitc_wroom）也是個很好的選擇，但是調試需要外部工具。

圖1：迷你的BBC micro:bit開發板非常適合嘗試Zephyr RTOS。誰能想到了為了讓兒童學習MakeCode（一門類似Scratch的圖形語言）的小板子也適合幫助一位專業嵌入式軟件開發者熟悉一款工業級RTOS呢？

Arduino GIGA R1 WiFi也是一個不錯的備選方案，但是使用Zephyr的時候會覆寫它的引導程序。即使之后你可以手動恢復，這也會添加不需要的副作用。

官方說法是Arduino UNO R4 Minima需要SWD（串行線調試）連接器。許多其他開發板也需要SWD，包括樹莓派Pico。但是我發現使用dfu-util（見下文）可以繞過這一要求。和GIGA R1類似，Arduino引導程序會被覆蓋。

5.3 使用仿真器

如果你沒有合適的開發板，但是還是非常想要嘗試Zephyr，Zephyr內建QEMU仿真器支持（只在Linux和macOS上），讓你可以虛擬地運行和測試應用。Antmicro的Renode也能達到同樣效果，但是我沒有親自嘗試。

5.4 安裝Zephyr

我在運行Windows 11的計算機上安裝了Zephyr，我沒有嘗試Linux或macOS。在線可以找到詳細的安裝指南[3]，所有步驟都非常清晰，我不需要尋找其他參考資料。按照指南，我使用了虛擬的Python環境，這意味著需要把創建環境的命令記下來，因為每次開始開發時都需要用到。如果你使用Windows PowerShell，可以運行腳本activate.ps1；命令行中則是activate.bat批處理文件。Windows PowerShell處理編譯器和鏈接器輸出的表現會更好（圖2）。

圖2：Zephyr的west構建工具是針對命令行終端設計的，Windows的cmd.exe雖然也可以運行，但它不是一個終端。Windows PowerShell是一個終端，更適合運行構建。

Zephyr包括兩個部分，OS本身和包含一組MCU工具鏈的軟件開發套件（SDK）。截至本文成文，有21套不同的工具鏈。

OS和SDK并不需要在同一個位置安裝，在我的環境中兩個總共需要12GB的存儲空間，你可以刪除不需要的工具鏈以節約空間。

安裝完成后，讓我們測試安裝是否成功。通過下面的命令構建一個樣例代碼，上傳到開發板上（將替換為你的開發板的目標名，例如arduino_uno_r4_minima）：

west build -p always -b samples/basic/blinky

如果你想直接使用上述命令，必須先更改工作路徑。運行下面的命令（.venv表示你正在虛擬環境中）：

(.venv) zephyrprojectzephyr

如果樣例能成功構建，運行下面的命令將其上傳到開發板上：

west flash

板上的“默認”LED會以0.5Hz的速率開始閃爍。

前面已經提到過，燒錄可能需要額外的編程工具，像是J-Link適配器，或是另一種JTAG/SWD兼容的編程器（圖3）。west程序也必須能夠找到驅動程序（即在搜索路徑中，對Windows而言是%PATH%），如果不能的話程序會告知你（但是消息經常又長又難以理解）。

圖3：在許多情況下（不是全部），你都需要一個JTAG或者SWD編程/調試工具來進行你的Zephyr實驗。

在BBC micro:bit V2上，第一次燒錄的時候我需要參考標準micro:bit編程步驟將HEX文件手工復制到板上，之后flash命令就可以順利運行了。可執行的zephyr.hex文件在zephyrprojectzephyruildzephyr路徑中。

Arduino板的默認flash命令（UNO R4 Minima和GIGA R1 WiFi）需要將dfu-util編程工具加入到搜索路徑中（在啟動虛擬環境之前）。這一工具在Arduino IDE中可以找到，但是具體路徑取決于你的環境（默認為%HOMEPATH%AppDataLocalArduino15packagesarduino oolsdfu-util<最新的Arduino版本>）。開發板還必須在DFU模式下，按下reset按鍵兩次即可。當LED開始“呼吸”時你就可以燒錄程序了。

5.5 閃燈（Blinky）樣例的兼容性

你也許注意到了，我建議用Arduino UNO R4 Minima開發板運行閃燈樣例，而不是BBC micro:bit，這是因為盡管板上有25個LED（不包括電源指示），它們和閃燈樣例并不兼容。ESP-WROOM-32也有類似問題，但是R4 Minima沒有。

GIGA R1也與樣例兼容，板上的MCU有兩個核（Cortex M4和M7），Zephyr允許你在構建命令中使用arduino_giga_r1_m4或者arduino_giga_r1_m7來選擇其一。構建和燒錄閃燈樣例兩次，一次M4，一次M7，你就可以發現兩個核互為獨立。GIGA有RGB LED，閃燈樣例在不同核上會使用不同的顏色，M4為藍色，M7為紅色。還可以通過改變閃爍速率（samplesasiclinkysrcmain.c中的SLEEP_TIME_MS）進一步區分兩次運行的行為。

5.6 Hello World

對于缺少用于閃爍的LED的開發板而言，下面是在串口輸出字符串的hello_world樣例：

west build -p always -b samples/hello_world

west flash

這一樣例在BBC micro:bit和ESP-WROOM-32上都可以運行。要看到輸出字符串的話，需要在你的計算機上運行任一串口終端程序。數據率一般為115200（115200,n,8,1）。消息只會輸出一次，如果錯過了就需要對開發板進行重置（圖4）。

圖4：hello_world樣例很簡短，如果打開串口終端太慢的話就會錯過輸出。

在R4 Minima和GIGA R1上，串口輸出在1號引腳上，而不是使用Arduino IDE時的USB-C端口。這是因為USB端口是MCU的外設，而不在一個單獨的芯片上。Zephyr是一個模塊化和可擴展的OS，每一個模塊和外設都需要被專門啟用。在工程的配置文件中可以啟用外設，我們在后面會討論。

對于沒有內建串口到USB轉換器的開發板，你必須找到串口（MCU上有超過一個端口時，一般為0號端口）并通過外置的串口到USB轉換器連接到你的計算機。

6. 進階實驗

如果你已經能夠在你的開發板上運行閃燈和hello_world樣例，接下來你就可以開始創建你的第一個應用了。如果只有一個樣例能運行，你應該調試另一個樣例，因為接下來的內容很快會變得復雜起來。

雖然BBC micro:bit和閃燈樣例不兼容，這并不會有什么嚴重的影響，我還是選擇它作為實驗板。Zephyr中還有幾個針對它的樣例（在samplesoardsbc_microbit文件夾中），“顯示”（display）樣例比單一LED閃爍樣例要更好。Zephyr只針對600多種支持的開發板的不到5%提供了樣例。另外，許多樣例是更加進階或者少見的用例。

當你針對BBC micro:bit、ESP-WROOM-32或者其他不兼容的開發板構建閃燈樣例時，編譯會給出一個難以理解的錯誤。錯誤信息想要告訴你，led0是一個未知的對象，led0是默認的閃燈LED（類似Arduino中的LED_BUILTIN）。micro:bit有著可以連接LED和其他外設的擴展端口，讓我們將其中一個定義為led0。

在此之前，讓我們復制一份samples/basic/blinky文件夾作為備份。下面的步驟中我們會修改samples/basic/blinky中的內容。

6.1 設備樹

為了定義led0，我們需要使用設備樹。設備樹由一個或者更多文本文件定義，其中列出了電路板上或者控制器中的外設和可用存儲。在Zephyr中，這些文件的后綴名為.dts或.dtsi（i表示include——包含），一個文件可以包含另一個文件。處理器.dtsi文件在dts文件夾中，開發板.dts和.dtsi文件在boards文件夾中，兩個文件夾內容都按照處理器架構分類。

你可以使用Visual Studio Code中的DeviceTree插件[4]查看DTS/DTSI文件，這一插件支持語法高亮和查找，增加文件的可讀性（DTS文件的語法類似C語言）。圖5所示的是nRF51822（BBC micro:bit V1的核心）的.dtsi文件的一部分，開發板的DTS文件包含這一文件。注意到uart0的狀態是“disabled”（禁用），但是在開發板的DTS文件中將其覆蓋為“okay”，即可以使用，gpio2和i2c0也是同樣。

圖5：nrf51822.dtsi文件的一部分，從右側的縮略圖可以看到文件十分長。

6.2 設備樹中的I2C總線

圖6所示的是BBC micro:bit的.dts文件的一部分，其中展示了I2C總線的設備樹。micro:bit的總線上有一個或兩個傳感器（根據不同的V1板種類有所不同），在樹中分別為mma8653fc和lsm303agr（后者中有兩個傳感器，所以在樹中出現兩次）。前者狀態為“okay”，后者則為“disabled”，這對我的初代micro:bit V1開發板而言是正確的。

圖6：設備樹的這一部分代表了BBC micro:bit板的I2C總線，而不是處理器；出自bbc_microbit.dts文件。

片段中所示的傳感器與FXOS8700和MMA8653FC兼容，在I2C總線上的地址為0x1d，兩個被聲明的中斷信號（int）分別與GPIO引腳27和28相連。該傳感器有一個代碼樣例供實驗用：

west build -p always -b bbc_microbit samples/sensor/fxos8700

west flash

這個樣例無法在BBC micro:bit V2上工作，因為其設備樹上的傳感器有所不同。

樣例的輸出如圖7所示。

圖7：samples/sensor/fxos8700樣例在BBC micro:bit上的輸出。

6.3 設備樹的覆蓋

回到前面提到過的led0，設備樹中沒有提及led0，所以我們需要進行添加。我們可以直接在設備樹文件中添加，但這并不正確，開發板上并沒有led0。正確的方法是在設備樹上添加一個覆蓋層，已有的設備樹會根據覆蓋文件的內容進行擴展（新的項目）或是覆寫（項目已經在樹中存在）。在這里我們需要添加新的項目。

覆蓋文件必須放置在工程文件夾的boards子文件夾中。當這一子文件夾存在時，構建過程會在其中搜索名為.overlay的文件。對我來說文件名是bbc_microbit.overlay，對于V2用戶則是bbc_microbit_v2.overlay。圖8所示的是文件內容。

圖8：讓BBC micro:bit V1與閃燈樣例兼容的設備樹覆蓋文件。

6.4 增加一個閃燈LED

Zephyr針對LED有一個特殊的設備樹關鍵字leds。當創建一個節點（分支）時，你可以起任何名字，但是需要將其放置在leds下，這樣才能覆蓋已有的leds節點。這一新節點會被添加到設備樹的根上，所以在節點前添加一個正斜杠“/”，在DT語言中表示根。下一行代表這一分支與Zephyr內建的gpio-leds驅動兼容（驅動的接口可以在zephyrincludezephyrdriversled.h中找到）。

6.5 子節點

接下來是一組LED子節點，因為我只有一盞LED，所以只有一個子節點led_0，我將其標記為led0。標簽（label）是可選的，但是標簽讓你可以在設備樹的其他地方引用這一節點。另外，應用中（開發者）可以通過標簽訪問節點和節點的屬性。

一個子結點必須指定設備的屬性，這里的設備是LED，必需屬性只有GPIO引腳，可選標簽可以用于向應用提供文檔或是用戶可讀信息，除此之外沒有其他用途。

GPIO引腳我選擇了1，即micro:bit擴展連接器上的2號大孔。如果你使用BBC micro:bit V2的話，在這里使用4（而不是1）。

6.6 創建一個別稱

接下來這一步是閃燈樣例所必需的：為我們的LED創建led0別稱（alias）。你也許會覺得為子節點添加一個標簽就足夠了，但實際上并非如此。閃燈樣例使用DT_ALIAS宏訪問LED子節點，所以我們必須配合這個宏。這個宏需要使用別稱，因此我們在設備樹中添加了aliases塊。如果閃燈樣例使用的是DT_NODELABEL宏，別稱就沒有必要了，因為這個宏會直接獲取led0子節點。標簽和別稱同為led0會有些令人疑惑，這是為了后面能夠更好地解釋。

6.7 Zephyr宏

盡管在C/C++編程中宏的名聲并不好，Zephyr大量使用宏。有許多像DT_ALIAS和DT_NODELABEL這樣的宏幫助應用和配置工具從設備樹提取信息，Zephyr手冊的“設備樹API”（“Devicetree API”）章節有對它們的介紹。

一個有趣的發現：許多（也許是全部？）Zephyr宏都要求參數為小寫字母和數字，其他符號都會被替代為下劃線，這被稱為“小寫字母和下劃線兼容”。舉例來說，如果我將LED子節點標記為LED-0（而不是led0），那么傳遞給DT_NODELABEL的參數將會成為led_0，即DT_NODELABEL(led_0)，這是因為‘-’不是字母或者數字，而且字母必須都為小寫。換言之，對于使用設備樹宏的應用開發者而言，下劃線就是一個通配符，led_0可以指led_0、led-0、Led_0、LED-0或者ledé0等等。建議你仔細閱讀Zephyr的宏文檔。

6.8 你不能犯錯誤

注意，如果你在設備樹上犯了錯誤，編譯器會顯示致命錯誤，而并不會提供有用的信息。

6.9 純凈構建

當你修改設備樹時，你很可能會經常需要重新構建你的應用。為了加快速度，去掉build命令中的“-p always”（p代表pristine——純凈），這樣命令就不會從頭構建所有文件。但是，如果你在逐個嘗試不同的樣例，你需要保留這個選項，否則你會看到構建文件夾不正確的錯誤。

flash命令也會運行最后執行的build命令，所以每次你做出更改之后可以直接運行flash命令。

6.10 使用設備驅動

閃燈樣例通過調用gpio_pin_toggle_dt()函數改變LED的狀態，該函數在GPIO驅動中。這一方法當然沒有問題，Zephyr還另外有一組LED驅動。使用LED驅動可以讓代碼變得更可讀，還可以提高程序的彈性和可移植性。這是因為LED驅動可以快速替換，應用代碼不需改變。Zephyr的可縮放性和模塊化在這里就體現出來了。

6.11 Kconfig的圖形用戶界面

將LED設備驅動整合到程序中需要幾個步驟。首先，重新配置工程以包含驅動。工程的配置由Kconfig處理，即在Linux中使用的內核構建配置系統。有多種方式可以和Kconfig交互，其中一種是通過圖形用戶界面（GUI）。在Zephyr中通過以下命令打開圖形界面：

west build -t guiconfig

GUI需要些時間才會打開，你會看到類似圖9這樣的界面，其中可以看到許多當前工程的信息。為了保證Kconfig能夠配合你的工程，在運行GUI前先進行一次純凈構建（-p always選項）。

圖9：Kconfig工程配置工具的GUI，其中有許多選項。

6.12 眾多的配置選項

先花一點時間熟悉Kconfig的配置樹，點擊加號展開分支，點擊選項進行標記，在下方的面板中能看到說明。可以看到printf()的浮點數支持是一個C++語言支持的配置選項。與此類似，還可以在Build and Link Features（構建和鏈接功能）中找到編譯器優化選項。

配置樹中有許多選項，Device Driver（設備驅動）分支下的選項和我們相關。展開分支，向下滾動，LED驅動大概是在一半的位置：Light Emitting Diode (LED) Drivers（LED驅動），選中這一選項。選項下的子分支不需要改變，保持默認值即可（圖10）。點擊Save（保存）鍵，記下窗口底端顯示的配置文件位置，之后你可以打開這一文件查看內容。最后關閉GUI。

圖10：選擇Light Emitting Diode (LED) Drivers（LED驅動），子分支的值保持默認不變。

接下來在構建時就不要使用-p always選項了，否則會將你前面改變的配置復原。之后會介紹如何將選項永久保存。

6.13 使用LED設備驅動的閃燈樣例

現在我們可以編寫新的閃燈程序了，見圖11。首先包含設備和LED驅動的頭文件，然后在主函數中通過DEVICE_DT_GET_ANY宏從設備樹取得LED設備的引用。注意到宏的參數“gpio_leds”是“小寫字母和下劃線兼容”的，對應設備樹中leds節點compatible（兼容）屬性的值“gpio-leds”（上文已經解釋過）。如果你傳入了錯誤的參數，程序無法找到節點，會輸出“No device with compatible gpio-leds found”（無法找到具有gpio-leds兼容的設備）。如果設備的status屬性被設為“disabled”，同樣的消息也會出現。

圖11重新編寫了 Blinky 程序以與 LED 設備驅動程序一起使用。請注意，該代碼沒有局限在某種開發板。該程序可以在任何設備驅動中列出了 gpio_leds（或 GPIO-LED） 設備樹的開發板上運行。

Zephyr將兼容用作名詞這件事需要花時間習慣，上面的錯誤信息不意味著沒有兼容的設備，而是沒有設備的“兼容”屬性的值為“gpio-leds”（也就是“gpio_leds”，下劃線替代了a到z和0到9以外的字符）。

第二個檢查驗證設備是否正確地初始化，如果是的話，我們將繼續。

在無限while()循環中，代碼通過驅動提供的led_on和led_off命令[6]點亮和熄滅LED，參數0代表DEVICE_DT_GET_ANY宏找到的第一個（也是唯一一個）設備，也就是led0。

6.14 檢查返回值

因為我們使用設備驅動，而不是在硬件寄存器層直接切換GPIO引腳狀態，所以應當檢查驅動函數調用的返回值，確保沒有發生錯誤。驅動必須提供函數和回調，也有可選的功能。舉例來說，LED驅動必須實現led_on和led_off，但是led_blink是可選的。在本實驗中，led_blink未被實現，如果你調用的話，什么也不會發生。這一函數存在，但是其中沒有內容，返回值會告訴你這一點。一般來講，檢查每個函數調用的返回值是良好的編程習慣。

通過下面的命令構建和上傳程序（注意沒有添加-p always選項）：

west build -b bbc_microbit samples/basic/blinky

west flash

6.15 配置工程

當LED以0.5HZ的頻率開始閃爍，就說明我們的程序能夠運行。這時我們需要永久保存當前的配置，打開閃燈文件夾prj.conf文件，添加下面一行（Kconfig配置文件使用Python語法，不像設備樹使用C語言語法）：

CONFIG_LED=y

為了檢查配置成功，進行一次純凈構建，并將可執行文件上傳到開發板上。

6.16 調試

如果你的開發板允許調試（比如BBC micro:bit），或者你有合適的調試工具，運行下面的命令進行調試：

west debug

該命令會啟動GDB服務器，并打開GDB命令行界面（圖12）。你可以在線學習如何使用GDB，這一部分不屬于本文的范疇之內。

圖12：BBC micro:bit有原生gdb調試支持，不需要額外的工具。

7. Zephyr與Arduino的對比

現在你上手了Zephyr，你可能會想：為什么要使用它？Arduino難道不是更簡單？Arduino與Zephyr類似，支持許多處理器架構和數百款開發板。Arduino還有著數千種驅動和軟件庫，如果一款應用或者一個軟件庫使用Arduino核心API，它可以被快速移植到有著類似外設的兼容平臺上。Arduino的軟件也是開源的，所以Zephyr有什么優勢？

Zephyr是作為一款工業級、健壯的RTOS設計的，支持任務調度、內存管理和設備驅動等功能。Zephyr能夠適應不同的項目復雜度，從小型的IoT設備到復雜的嵌入式系統。Zephyr提供更大的彈性，但是需要開發者對嵌入式開發有著深入的理解。

Arduino提供一定的實時性，但它不是一款RTOS，而是一款強調簡潔和易用的單線程應用框架。Arduino將許多底層細節都進行了抽象化，讓它對初學者非常友好。對于更加復雜的應用，Arduino可以在RTOS上使用，例如Mbed OS。將Arduino核心API移植到Zephyr的工作正在進行中。

在下一個項目中是否要使用Zephyr取決于你。至少你應該稍微進行嘗試，畢竟Zephyr會為任何一位嵌入式開發者的簡歷添彩。

8. 進一步的閱讀

本文到這里就結束了，你應該已經發現Zephyr OS很復雜，學習曲線也比較陡峭。我希望本文讓你的學習過程變得簡單了一些，但這些只是基礎知識，關于Zephyr還有非常多需要學習的課題。參考資料[8]和[9]包含一些我認為有用的內容。