Zephyr 會(huì)成為物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代RTOS的佼佼者？

最近，有接觸到Zephyr操作系統(tǒng)，在這之前我也沒(méi)怎么了解過(guò)，簡(jiǎn)單了解了一下，發(fā)現(xiàn)其增長(zhǎng)的勢(shì)頭還挺猛的。

下面我們一起來(lái)簡(jiǎn)單認(rèn)識(shí)認(rèn)識(shí)Zephyr。

Zephyr 簡(jiǎn)介

Zephyr RTOS是Linux基金會(huì)下的一個(gè)開(kāi)源項(xiàng)目，以其高效、靈活、安全的特點(diǎn)，在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)領(lǐng)域嶄露頭角，成為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備開(kāi)發(fā)的首選之一?；?strong>Apache 2.0許可。

官網(wǎng)：https://www.zephyrproject.org/

代碼倉(cāng)：https://github.com/zephyrproject-rtos/zephyr

1、Zephyr軟件架構(gòu)：

Zephyr從下到上大致分為如下幾層：

硬件層：含了實(shí)際的硬件設(shè)備，如CPU、內(nèi)存、外設(shè)等。這些硬件設(shè)備是操作系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)和支撐。

硬件抽象層（HAL）：提供了對(duì)底層硬件的抽象和封裝，使得操作系統(tǒng)內(nèi)核和應(yīng)用程序能夠以一種統(tǒng)一的方式訪問(wèn)和控制硬件資源。這有助于提高代碼的可移植性和可重用性。

內(nèi)核層：Zephyr內(nèi)核是操作系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)任務(wù)調(diào)度、內(nèi)存管理、中斷處理等基本功能。Zephyr提供了兩種內(nèi)核：微內(nèi)核（microkernel）和超微內(nèi)核（nanokernel），用戶可以根據(jù)具體需求選擇使用哪種內(nèi)核或同時(shí)使用兩者。

服務(wù)層：提供了一系列系統(tǒng)級(jí)的服務(wù)，如文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、藍(lán)牙協(xié)議棧等。這些服務(wù)為應(yīng)用層提供了必要的支持和接口，使得應(yīng)用程序能夠更加方便地訪問(wèn)和使用底層硬件資源。

應(yīng)用層：包含用戶開(kāi)發(fā)的各種應(yīng)用程序。這些應(yīng)用程序運(yùn)行在Zephyr操作系統(tǒng)之上，利用操作系統(tǒng)提供的各種服務(wù)和接口實(shí)現(xiàn)具體功能。

2、Zephyr源碼目錄：

? arch：包含和硬件體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的代碼，每種平臺(tái)占一個(gè)相應(yīng)的目錄。這些目錄中存放了針對(duì)不同架構(gòu)的移植文件，主要是針對(duì)不同的CPU進(jìn)行適配，包括內(nèi)核的源文件和頭文件（其中包含私有API）等。例如，對(duì)于ARM架構(gòu)，可能會(huì)有arch/arm目錄，其中包含針對(duì)ARM CPU的適配代碼。

? boards：存放板級(jí)代碼及相關(guān)的配置文件。開(kāi)發(fā)板屬于SoC的子集，當(dāng)我們選中一個(gè)開(kāi)發(fā)板時(shí)，也就會(huì)自動(dòng)確認(rèn)其SoC的型號(hào)。此外，該目錄下還包含了板子的設(shè)備樹(shù)文件，用于描述板上可用資源。

? cmake：包含構(gòu)建Zephyr所需的額外構(gòu)建腳本。Zephyr使用CMake作為構(gòu)建系統(tǒng)，構(gòu)建過(guò)程可分為配置階段和構(gòu)建階段。

? doc：系統(tǒng)文檔目錄，包含Zephyr的相關(guān)文檔和工具。

? drivers：設(shè)備驅(qū)動(dòng)目錄，每個(gè)不同的驅(qū)動(dòng)占用一個(gè)子目錄。Zephyr為各種硬件設(shè)備提供了豐富的驅(qū)動(dòng)程序。

? dts：devicetree源文件目錄，用于描述特定板子的設(shè)備細(xì)節(jié)，如外設(shè)寄存器數(shù)量及寄存器地址。這些文件在構(gòu)建過(guò)程中會(huì)被用來(lái)生成設(shè)備樹(shù)信息，供操作系統(tǒng)內(nèi)核使用。

? include：包含所有公共API的頭文件（除了在lib下定義的部分）。這些頭文件為開(kāi)發(fā)者提供了訪問(wèn)Zephyr內(nèi)核和各種組件的接口。

? kernel：與架構(gòu)無(wú)關(guān)的內(nèi)核代碼目錄，包含Zephyr操作系統(tǒng)的核心功能，如線程調(diào)度、內(nèi)存管理等。

? lib：庫(kù)代碼目錄，包括最小的標(biāo)準(zhǔn)C庫(kù)等。這些庫(kù)為Zephyr提供了基本的編程支持。

? misc：不屬于任何其他頂級(jí)目錄的雜項(xiàng)代碼。

? modules：提供特定芯片系列的一些外設(shè)配置選項(xiàng)。

? samples：演示使用Zephyr特性的示例應(yīng)用程序目錄。這些示例代碼有助于開(kāi)發(fā)者快速上手Zephyr并理解其各種特性。

? scripts：用于構(gòu)建和測(cè)試Zephyr應(yīng)用程序的各種程序和其他文件。

? soc：SoC（System on Chip，片上系統(tǒng)）相關(guān)代碼和配置文件目錄。這些目錄中存放了針對(duì)不同芯片的外設(shè)配置和部分功能初始化代碼。

? subsys：Zephyr子系統(tǒng)目錄，包括USB、網(wǎng)絡(luò)、文件系統(tǒng)及藍(lán)牙等子系統(tǒng)的代碼。這些子系統(tǒng)為Zephyr提供了豐富的功能和接口。

Zephyr 的特性

1、安全性

安全性是Zephyr RTOS的重要特性之一。它提供了內(nèi)存保護(hù)、安全啟動(dòng)和加密算法等安全功能，確保設(shè)備在面對(duì)潛在威脅時(shí)能夠保持安全。

2、豐富的連接能力

Zephyr內(nèi)置高效的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)棧，支持IPv4/IPv6，以及多種無(wú)線協(xié)議，如藍(lán)牙(BLE)、Wi-Fi等，滿足現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的各種連接需求。這種廣泛的連接能力使得Zephyr成為構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的核心操作系統(tǒng)之一。

3、統(tǒng)一的構(gòu)建系統(tǒng)與設(shè)備樹(shù)支持

Zephyr提供了統(tǒng)一的構(gòu)建系統(tǒng)和設(shè)備樹(shù)支持，簡(jiǎn)化了跨平臺(tái)開(kāi)發(fā)流程。

設(shè)備樹(shù)例子：

有Linux設(shè)備樹(shù)那味了？

zephyr的設(shè)備樹(shù)管理和Linux設(shè)備樹(shù)類(lèi)似，都采用了樹(shù)狀結(jié)構(gòu)來(lái)描述硬件資源，兩者都支持通過(guò)屬性（properties）來(lái)定義硬件設(shè)備的各種參數(shù)和配置信息。

Zephyr設(shè)備樹(shù)與Linux設(shè)備樹(shù)主要的區(qū)別：

zephyr設(shè)備樹(shù)主要面向資源受限的嵌入式系統(tǒng)，Zephyr并不直接使用設(shè)備樹(shù)編譯后的二進(jìn)制文件（DTB）。相反，它在構(gòu)建編譯階段通過(guò)腳本將設(shè)備樹(shù)信息轉(zhuǎn)換為C語(yǔ)言頭文件中的宏定義。這樣，內(nèi)核和應(yīng)用程序可以通過(guò)調(diào)用這些宏定義來(lái)訪問(wèn)設(shè)備樹(shù)信息，減少了運(yùn)行時(shí)的資源消耗。

Linux設(shè)備樹(shù)則直接使用設(shè)備樹(shù)編譯后的DTB文件。在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，Linux內(nèi)核會(huì)解析DTB文件，獲取硬件信息并進(jìn)行板級(jí)初始化。這種方式提供了更高的靈活性和實(shí)時(shí)性。

構(gòu)建方面Zephyr使用CMake作為構(gòu)建系統(tǒng)，通過(guò)west build命令編譯、鏈接應(yīng)用程序，并生成可下載到目標(biāo)設(shè)備的固件映像。此外，Zephyr還集成了GDB調(diào)試器，與Visual Studio Code、Eclipse等IDE無(wú)縫配合，為開(kāi)發(fā)者提供良好的開(kāi)發(fā)環(huán)境。

4、高效與靈活性

Zephyr RTOS是一款面向物聯(lián)網(wǎng)的小型、可裁剪的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，支持多種硬件平臺(tái)（如ARM、x86、RISC-V等）和多種開(kāi)發(fā)環(huán)境（Windows、Linux、MacOS）。其模塊化設(shè)計(jì)允許開(kāi)發(fā)者根據(jù)需求選擇啟用或禁用特定的功能，從而實(shí)現(xiàn)輕量級(jí)的內(nèi)核以適應(yīng)資源受限的硬件（最小資源需求：8KB Flash，5KB RAM）。

這種高度可配置性使得Zephyr在智能家居、工業(yè)自動(dòng)化、穿戴設(shè)備等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

Zephyr 與RT-Thread、FreeRTOS的對(duì)比及其優(yōu)略勢(shì)

Zephyr優(yōu)勢(shì)

??高效靈活：模塊化設(shè)計(jì)使得Zephyr能夠根據(jù)需求進(jìn)行裁剪和配置。

??安全性高：提供多種安全功能和開(kāi)源許可保障代碼安全。

??連接能力強(qiáng)：支持多種無(wú)線協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)棧滿足物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的連接需求。

??社區(qū)活躍：擁有活躍的全球社區(qū)提供持續(xù)的技術(shù)更新和支持。

Zephyr劣勢(shì)

??相對(duì)較新：與FreeRTOS及RT-Thread等RTOS相比，Zephyr的歷史較短且市場(chǎng)認(rèn)知度有待提高。

??商業(yè)許可問(wèn)題：雖然Zephyr本身開(kāi)源免費(fèi)，但基于Zephyr的商業(yè)項(xiàng)目可能需要考慮其他組件或服務(wù)的許可費(fèi)用。

Zephyr 與 RT-Thread對(duì)比

RT-Thread與Zephyr類(lèi)似，也是一款面向物聯(lián)網(wǎng)的開(kāi)源RTOS。然而，RT-Thread在生態(tài)系統(tǒng)和社區(qū)支持方面可能略遜于Zephyr。此外，RT-Thread在某些特定領(lǐng)域（如物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)制定）的參與度不如Zephyr高。

Zephyr 與 FreeRTOS對(duì)比

FreeRTOS是一款輕量級(jí)的RTOS，廣泛應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)中。與Zephyr相比，F(xiàn)reeRTOS在資源占用方面可能更加優(yōu)化，但在安全性和模塊化設(shè)計(jì)方面可能稍顯不足。FreeRTOS的社區(qū)支持也非?；钴S，但其在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的專門(mén)優(yōu)化和特性可能不如Zephyr豐富。

對(duì)于Zephyr，大家怎么看？歡迎留言討論。