แนะนำ Zephyr Real-Time Operating System (RTOS)#

---

▷ Zephyr RTOS#

Zephyr (ออกเสียงว่า "เซฟเฟอร์" ZEF-er) เป็นระบบปฏิบัติการเรียลไทม์ (Real-Time Operating System: RTOS) และเป็นซอฟต์แวร์ประเภทโอเพนซอร์สที่ถูกพัฒนาขึ้นเพื่อรองรับการใช้งานสำหรับระบบสมองกลฝังตัว (Embedded Systems) และอุปกรณ์ประเภท Internet of Things (IoT) ซึ่งมีทรัพยากรในระดับฮาร์ดแวร์ที่ค่อนข้างจำกัด

ประวัติความเป็นมา

• Zephyr RTOS มีจุดเริ่มต้นมาจากระบบปฏิบัติการเรียลไทม์ที่มีชื่อว่า Virtuoso RTOS ซึ่งพัฒนาโดยบริษัทในเบลเยียม
• ต่อมาในปี 2011 ระบบนี้ถูกซื้อกิจการโดยบริษัท Wind River Systems และได้เปลี่ยนชื่อเป็น Rocket RTOS
• ในปี 2015 ระบบถูกเผยแพร่เป็นโอเพนซอร์ส และในปี 2016 ได้เข้าร่วมเป็นโครงการหนึ่งของ Linux Foundation ภายใต้ชื่อใหม่คือ Zephyr และนับเป็นจุดเริ่มต้นที่เป็นทางการของโครงการ Zephyr RTOS​
• ในขณะที่เขียนบทความนี้ เวอร์ชันล่าสุดของ Zephyr RTOS คือ v4.0.0

รูป: Zephyr Ecosystem (Source: zephyr.org)

จุดเด่นของ Zephyr RTOS ที่พอจะสรุปมาเป็นตัวอย่าง มีดังนี้

• เป็นซอฟต์แวร์ประเภทโอเพนซอร์ส (Apache 2.0 license)
• รองรับสถาปัตยกรรมของซีพียูที่หลากหลาย เช่น ARM, x86, RISC-V, MIPS, Xtensa และอื่น ๆ และบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์หลายร้อยรายการ (สามารถค้นดูรายการได้จาก "Supported Boards and Shields")
• รองรับการทำงานของซีพียูแบบแกนเดียวและหลายแกน (Multi-core system support)
• มีผู้สนับสนุนหลักจากบริษัทใหญ่ เช่น Intel, Nordic Semiconductor, NXP และอื่น ๆ
• มีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง เช่น ดูจากจำนวนผู้มีส่วนร่วมและจำนวน Git Commits ในแต่ละเดือน
• มีการดูแลซอฟต์แวร์และสนับสนุนในระยะยาว ในรูปแบบของ Long Term Support (LTS)
• รองรับการทำงานของ Secure boot เช่น MCUboot secure bootloader

Zephyr RTOS มีไลบรารีที่ครอบคลุมการทำงานหลากหลาย เช่น:

• การเชื่อมต่อเครือข่าย:
  • Bluetooth 5.0+ & BLE
  • Wi-Fi / Ethernet (IPv4/IPv6 stack)
  • CANbus
• โปรโตคอลสำหรับงาน IoT:
  • CoAP & MQTT
  • IEEE 802.15.4 / OpenThread & 6LoWPAN
  • LoRa
• การรองรับ USB 2.0 และ USB-C
• การอัปเกรดเฟิร์มแวร์แบบ OTA (Over-the-Air upgrade)
• การรองรับ Secure Boot: เช่น MCUboot secure bootloader

รูป: Zephyr Architecture (Source: zephyr.org)

 

---

▷แนวทางและหัวข้อการเรียนรู้สำหรับ Zephyr RTOS#

สำหรับผู้ที่สนใจ ก็มีตัวอย่างหัวข้อที่สำคัญมานำเสนอ และเป็นแนวทางสำหรับการเริ่มต้นศึกษาและใช้งาน Zephyr RTOS ดังนี้

• การติดตั้งและใช้งานซอฟต์แวร์ อย่างเช่น West, CMake และ Zephyr SDK
• การตั้งค่าใช้งานด้วย Kconfig และ Devicetree / device tree overlay สำหรับ Zephyr RTOS project
• หลักการทำงานของ Zephyr Kernel & Kernel Services
• การเขียนโปรแกรมแบบ Multi-threading ด้วย Zephyr Kernel
• การจำแนกประเภทของ "เธรด"
  • เธรดของระบบ (System Threads) เช่น Main Thread และ Idle Thread
  • การสร้าง User Threads
• การกำหนดคุณสมบัติของ Threads เช่น Thread Stack Size และ Thread Priority
• สถานะการทำงานของเธรด (Thread States) และการควบคุมหรือเปลี่ยนสถานะของเธรด
• การสื่อสารกันระหว่างเธรด (Inter-Thread Synchronization & Communication) เช่น
  • Semaphores
  • Mutexes
  • SpinLocks
  • Critical Sections
  • Events / Event Bits
  • Message Queues
  • Mailboxes
  • Pipes
• การจัดการหน่วยความจำ (Memory Management)
• การจัดการอินเทอร์รัพท์ (Interrupt Handling)
• การจัดการเวลาของระบบและการใช้งาน Software Timers
• การจัดการและการประหยัดพลังงาน (Low Power Management)

---

▷ การเลือกบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์สำหรับ Zephyr RTOS#

สำหรับผู้เริ่มต้นการเลือกบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์สำหรับการนำมาทดลองและใช้งานร่วมกับ Zephyr RTOS ก็เป็นอีกหนึ่งประเด็นที่สำคัญ ตัวอย่างบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ที่มีราคาไม่แพง และนำมาใช้ได้ เช่น

• Raspberry Pi Pico / Pico-W (RP2040)
• Micro:bit v1 (nRF51822) & v2 (nRF52833)
• ESP32 Boards (Espressif ESP32 SoC)
• STM32 Nucleo Boards

หากเลือกใช้บอร์ด ESP32 ก็มีซอฟต์แวร์อย่างเช่น Wokwi ให้ทดลองเขียนโค้ดในเบื้องต้น และสามารถจำลองการทำงานของโปรแกรมเสมือนจริงได้ โดยใช้เว็บเบราว์เซอร์และยังไม่ต้องติดตั้งซอฟต์แวร์ของ Zephyr ในเครื่องคอมพิวเตอร์ของผู้ใช้

รูป: ตัวอย่างการเขียนโค้ด Zephyr-ESP32 และจำลองการทำงานด้วย Wokwi

ตัวอย่างโค้ดสำหรับ ESP32 ซึ่งสาธิตการสร้าง "เธรด" เพื่อทำให้ LED กระพริบด้วยอัตราคงที่

#include <stdio.h>
#include <zephyr/kernel.h>
#include <zephyr/drivers/gpio.h>

// Use the led0 alias for the onboard LED
#define LED0_NODE DT_ALIAS(led0)
static const struct gpio_dt_spec led = GPIO_DT_SPEC_GET(LED0_NODE, gpios);

#define SLEEP_TIME_MS     (1000)
#define THREAD_STACK_SIZE (512)
#define THREAD_PRIORITY   (5)

void led_blink_func(void *, void *, void *);

K_THREAD_DEFINE(led_blink_tid, THREAD_STACK_SIZE,
                led_blink_func, NULL, NULL, NULL,
                THREAD_PRIORITY, 0, 0);

void main(void) {  
  printk("Zephyr OS on %s\n", CONFIG_SOC);
  while(1) {
    k_sleep(K_FOREVER); // The main thread sleeps forever
  }
}

void led_blink_func(void *p1, void *p2, void *p3) {
  int value, state = 0; 
  if (gpio_pin_configure_dt(&led, GPIO_OUTPUT_ACTIVE) < 0) {
    return;
  }
  for(;;) {
    (void) gpio_pin_set_dt(&led, state^= 1);
    printk("LED toggle: %d\n", state );
    k_msleep(SLEEP_TIME_MS);
  }
}

ซอฟต์แวร์อีกตัวเลือกหนึ่งที่แนะนำให้ใช้งานคือ VS Code IDE + Zephyr Extension Pack

รูป: VS Code IDE + Zephyr Extension Pack

รูป: ตัวอย่างการใช้งาน VS Code IDE + Zephyr สำหรับบอร์ด Raspberry Pi Pico (RP2040)

รูป: ตัวอย่างการใช้งาน VS Code IDE + Zephyr สำหรับบอร์ด ESP32

 

---

▷ กล่าวสรุป#

บทความนี้นำเสนอเนื้อหาในเบื้องต้นเกี่ยวกับระบบปฏิบัติการเวลาจริง ที่มีชื่อว่า Zephyr RTOS ซึ่งถือว่าเป็นตัวเลือกที่น่าสนใจ และเป็นอันดับต้น ๆ สำหรับระบบปฏิบัติการ RTOS ที่เป็น Open Source

แหล่งข้อมูลอ้างอิงและศึกษาเพิ่มเติม

• Zephyr Documentation
• Zephyr Documentation (PDF)
• Git Repository for the Zephyr Project

 

---

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.

Created: 2024-12-14 | Last Updated: 2024-12-14