การใช้งาน Zephyr RTOS สำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์ Espressif ESP32 (ตอนที่ 1)#

Keywords: Zephyr RTOS, Zephyr IDE, Extension Pack for VS Code IDE, ESP32

▷ บอร์ด ESP32 SoC#

Zephyr RTOS เป็นระบบปฏิบัติการเวลาจริงแบบ Open Source ที่รองรับการใช้งานชิปและบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์หลายตัวเลือก รวมถึง ESP32 / ESP32-S2 / ESP32-S3 SoC ซึ่งมีซีพียูที่ทำงานตามสถาปัตยกรรม Xtensa 32-bit CPU Core (LX6 / LX7) มีทั้งแบบ Single-Core และ Dual-Core และชิป ESP32-C3 / ESP32-C6 (RISC-V)

ชิป ESP32 ได้รับความนิยมอย่างมากในช่วงหลายปีที่ผ่านมา มีบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ให้เลือกใช้จำนวนมาก อีกทั้งยังสามารถเขียนโปรแกรมด้วย Arduino และ ESP-IDF ที่ทำงานด้วยระบบปฏิบัติการเวลาจริง FreeRTOS

บทความนี้จะนำเสนอตัวอย่างการเขียนโค้ดและใช้งาน Zephyr RTOS for ESP32 ที่เป็นอีกตัวเลือกหนึ่ง แต่ก็มีความซับซ้อนกว่า FreeRTOS

แนะนำให้ติดตั้งและใช้งานซอฟต์แวร์ VS Code IDE + Zephyr IDE Extension Pack ให้พร้อมใช้งานก่อน โดยจะต้องสร้าง Zephyr Workspace และติดตั้งซอฟต์แวร์ที่เกี่ยวข้อง (ในบทความนี้ได้ทดลองใช้ Zephyr v4.0.0)

▷ การเริ่มต้นสร้างโปรเจกต์ใหม่ (New Project Creation)#

เริ่มต้นให้สร้างโปรเจกต์ใหม่ใน Zephyr Workspace โดยเลือกวิธีสร้างจากโปรเจกต์ตัวอย่าง เช่น led_blinky ในตัวอย่างนี้ได้ตั้งชื่อ led_blink_esp32 สำหรับโปรเจกต์ใหม่

กดปุ่ม Ctrl+Shift+P แล้วเลือก "Zephyr IDE: Create Project From Template"

รูป: การทำขั้นตอน Zephyr IDE: Create Project From Template

รูป: เลือกโปรเจกต์ตัวอย่างจาก basic\led_blinky ของ Zephyr

รูป: ขั้นตอนการเพิ่ม Build สำหรับบอร์ด ESP32

ในตัวเลือก PROJECTS ที่มีการสร้างโปรเจกต์ใหม่แล้ว ซึ่งในตัวอย่างคือ led_blink_esp32 ให้กดปุ่ม "Add Build" เพื่อสร้างไดเรกทอรีสำหรับการคอมไพล์โค้ดในโปรเจกต์ และในขั้นตอนนี้จะต้องมีการเลือกบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์

ในกรณีตัวอย่างได้ให้เลือกบอร์ด esp32-devkitc-wroom/esp32/ สำหรับ ESP32 ซึ่งมีสองตัวเลือก (โมเดลของฮาร์ดแวร์) โดยจำแนกตามแกนของซีพียูภายในชิป ESP32 ที่จะใช้สำหรับการรันโค้ดของ Zephyr

esp32/procpu หมายถึง CPU Core 0
esp32/appcpu หมายถึง CPU Core 1

จากนั้นให้เลือกประเภทของ Build เช่น Debug

รูป: การเลือกประเภทของ Build เช่น Debug หรือ Release

ให้แก้ไขหรือสร้างไฟล์ในโปรเจกต์ เช่น

main.c สำหรับเขียนโค้ดตามตัวอย่าง
proj.conf สำหรับการตั้งค่าในการคอมไพล์โค้ดในโปรเจกต์ เช่น CONFIG_GPIO=y และอื่น ๆ
app.overlay เป็นไฟล์สำหรับ Device Tree Overlay เช่น การกำหนดขา GPIO เพื่อใช้งานให้ตรงกับบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ที่จะใช้งาน

โค้ดตัวอย่างที่ได้จาก basic\led_blinky มีดังนี้

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

#define SLEEP_TIME_MS 1000

#define LED0_NODE DT_ALIAS(led0)

static const struct gpio_dt_spec led = GPIO_DT_SPEC_GET(LED0_NODE, gpios);

int main(void) {
  int ret;
  bool led_state = true;
  if (!gpio_is_ready_dt(&led)) {
    return 0;
  }
  ret = gpio_pin_configure_dt(&led, GPIO_OUTPUT_ACTIVE);
  if (ret < 0) {
    return 0;
  }
  while (1) {
    ret = gpio_pin_toggle_dt(&led);
    if (ret < 0) {
      return 0;
    }
    led_state = !led_state;
    printf("LED state: %s\n", led_state ? "ON" : "OFF");
    k_msleep(SLEEP_TIME_MS);
  }
  return 0;
}

ก่อนที่จะทำขั้นตอน Build เพื่อคอมไพล์โค้ดสำหรับ ESP32 จะต้องตั้งค่าใช้งานสำหรับโปรเจกต์ในไฟล์ prof.conf และ app.overlay ตามตัวอย่างดังนี้

File: proj.conf

CONFIG_GPIO=y
CONFIG_ESP32_USE_UNSUPPORTED_REVISION=y

รูป: ตัวอย่างไฟล์ proj.conf

รูป: ตัวอย่างไฟล์ app.overlay

Zephyr มีวิธีการจัดการและใช้งานวงจรต่าง ๆ ของชิป SoC โดยกำหนดรูปแบบของโครงสร้างข้อมูล เป็นแบบ "แผนภูมิต้นไม้" เรียกว่า Device Tree ซึ่งประกอบด้วยโหนด (Nodes) ต่าง ๆ ในแต่ละระดับ และบันทึกอยู่ในไฟล์ที่เรียกว่า Device Tree Source (.dts)

รูป: ตัวอย่างโครงสร้างของ Device Tree และไฟล์ DTS

จากโครงสร้างตัวอย่าง จะเห็นได้ว่า โหนดแรกเริ่ม เรียกว่า Root Node และใช้สัญลักษณ์เป็น / และมีโหนดในระดับชั้นถัดไป (เรียกว่า Child Node) ที่มีชื่อ (Node Label) เรียกว่า soc ซึ่งมีโหนดย่อยลงไป เช่น i2c (เป็นหนึ่งตัวอย่างของวงจรภายในชิป) และมีการกำหนดคุณสมบัติไว้ด้วย (เช่น สำหรับชิป nRF) แต่ถ้าเป็นโหนด soc สำหรับชิป ESP32 ก็จะมีรายละเอียดที่แตกต่างไป

ดูตัวอย่างไฟล์ DTS สำหรับบอร์ด esp32_devkitc_wroom

การคอมไพล์โค้ดของโปรเจกต์ จะต้องมีไฟล์ zephyr.dts สำหรับบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ได้เลือกใช้งาน และผู้ใช้สามารถตรวจสอบรายละเอียดได้จากไฟล์ดังกล่าว ในรูปถัดไปเป็นตัวอย่างไฟล์สำหรับบอร์ด ESP32

รูป: ตัวอย่างไฟล์ zephyr.dts ที่ใช้สำหรับขั้นตอน Build

ไฟล์ .overlay เป็นไฟล์ประเภท Device Tree Overlay และใช้กำหนดค่าใหม่ (หรือเพิ่มเติม) โดยผู้ใช้ สำหรับ Device Tree เช่น ส่วนที่เกี่ยวข้องกับการใช้งานวงจรประเภทต่าง ๆ ภายในชิป

File: app.overlay

/ {
    aliases {
        led0 = &led0;
    };

    leds {
        compatible = "gpio-leds";
        led0: led_0 {
            gpios = <&gpio0 22 GPIO_ACTIVE_LOW>;
            label = "LED 0";
        };
    };
};

เนื่องจากในบทความนี้ได้เลือกใช้บอร์ด WeMos Lolin32 Lite จึงต้องเลือกขา GPIO 22 สำหรับ LED (active-low) อ้างอิงชื่อโหนดเป็น led0 และเป็นส่วนหนึ่งของโหนดใน Device Tree ที่มีชื่อว่า leds (เรียกว่า LED Groups) และใช้ได้กับ Zephyr GPIO LEDs Driver ที่มีชื่อว่า gpio-leds

การทำขั้นตอน Build สามารถทำได้อีกวิธี โดยการทำคำสั่ง west ดังนี้

west build -b esp32_devkitc_wroom/esp32/procpu led_blink_esp32

รูป: ตัวอย่างการคำสั่ง west build

หากทำขั้นตอน Build เพื่อคอมไพล์โค้ดได้สำเร็จแล้ว ถัดไปให้อัปโหลดไฟล์เฟิร์มแวร์ไปยังบอร์ด ESP32 ที่เชื่อมต่อกับคอมพิวเตอร์ของผู้ใช้กับพอร์ต USB

รูป: ขั้นตอนการ Build และอัปโหลดไฟล์เฟิร์มแวร์ไปยังบอร์ด (ให้เพิ่ม Runner เป็น default สำหรับ Build)

▷ การสร้างเธรดสำหรับ LED Blinking#

โค้ดตัวอย่างถัดไปสาธิตการสร้าง "เธรด" (Thread) เพื่อให้ทำหน้าที่สลับสถานะลอจิกของ LED แทนที่จะใช้ "เธรดหลัก" (Main Thread) สำหรับงานดังกล่าว

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

// Use the led0 alias for the onboard LED
#define LED_NODE DT_ALIAS(led0)

static const struct gpio_dt_spec led = GPIO_DT_SPEC_GET(LED_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 show_running_thread() {
  struct k_thread *thread = k_current_get();
  const char *thread_name = k_thread_name_get(thread);
  if (thread_name != NULL) {
    printk("Current thread name: %s (prio = %d)\n",
           thread_name, k_thread_priority_get(thread));
  } else {
    printk("Current thread: @%p (prio = %d)\n",
           thread, k_thread_priority_get(thread));
  }
}

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

void led_blink_func(void *p1, void *p2, void *p3) {
  int state = 0;
  if (!gpio_is_ready_dt(&led)) {
    printk("Error: gpio-leds device %s not ready\n", led.port->name);
    return;
  }
  if (gpio_pin_configure_dt(&led, GPIO_OUTPUT_ACTIVE)!=0) {
    return;
  }
  k_msleep(1000);
  for (;;) {
    show_running_thread();
    (void)gpio_pin_set_dt(&led, state ^= 1);
    printk("LED toggle: %d\n", state);
    k_msleep(SLEEP_TIME_MS);
  }
}

รูป: ตัวอย่างข้อความเอาต์พุตที่ได้รับผ่านทาง USB-Serial

ลองเปรียบเทียบการทำงานโดยใช้ Wokwi Simulator

รูป: ตัวอย่างการจำลองการทำงานด้วย Wokwi Simulator

▷ การเขียนโค้ดแบบ I/O Polling Loop#

ตัวอย่างถัดไปเป็นการสาธิตการอ่านค่าจากวงจรปุ่มกดภายนอกที่ทำงานแบบ Active-Low โดยนำมาต่อเข้ากับขา GPIO-2 เพื่อใช้งานเป็น User Button และเขียนโค้ดเพื่อให้โปรแกรมตรวจสอบสถานะของอินพุตจากปุ่มกด แล้วอัปเดตสถานะของ LED

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

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

// Use the sw1 button on GPI0-2 pin
#define SW_NODE DT_ALIAS(sw1)
static const struct gpio_dt_spec sw = GPIO_DT_SPEC_GET(SW_NODE, gpios);

#define SLEEP_TIME_MS (50)

void main(void) {
  printk("Zephyr OS on %s\n", CONFIG_SOC);
  if (!gpio_is_ready_dt(&led)) {
    printk("Error: gpio-leds device %s not ready\n", led.port->name);
    return;
  }
  if (gpio_pin_configure_dt(&led, GPIO_OUTPUT_ACTIVE)!=0) {
    return;
  }
  if (!gpio_is_ready_dt(&sw)) {
    printk("Error: gpio-keys device %s not ready\n", sw.port->name);
    return;
  }
  if (gpio_pin_configure_dt(&sw, GPIO_INPUT)!=0) {
    return;
  }

  (void)gpio_pin_set_dt(&led, 0);  // Turn off the LED

  int last_value = 0;
  while (1) {                                 // Polling loop
    int value = gpio_pin_get_dt(&sw);         // Read button input
    if (value >= 0 && last_value != value) {  // Update LED output
      (void)gpio_pin_set_dt(&led, value);
      printk("value: %d\n", value);
      last_value = value;
    }
    k_msleep(SLEEP_TIME_MS);
  }
}

สำหรับตัวอย่างนี้ จะต้องมีการใช้ไฟล์ app.overlay ดังนี้

/ {
    aliases {
        led0 = &led0;
        sw0 = &button0;
        sw1 = &button1;
    };

    buttons {
        compatible = "gpio-keys";
        button0: button_0 {
            gpios = <&gpio0 0 GPIO_ACTIVE_LOW>;
            label = "BOOT button";
        };
        button1: button_1 {
            gpios = <&gpio0 2 (GPIO_ACTIVE_LOW | GPIO_PULL_UP)>;
            label = "User Button";
        };
    };

    leds {
        compatible = "gpio-leds";
        led0: led_0 {
            gpios = <&gpio0 22 GPIO_ACTIVE_LOW>;
            label = "LED 0";
        };
    };
};

เมื่อกดปุ่มค้างไว้ จะได้ลอจิกเป็น true (1) และปล่อยปุ่มได้ลอจิก false (0) ซึ่งจะส่งผลให้ LED สว่างเมื่อกดปุ่มและมีค่าลอจิกเป็น 1 และดับลงเมื่อปล่อยปุ่ม และมีข้อสังเกตว่า วงจรปุ่มและวงจร LED ทำงานแบบ active-low

การใช้คำสั่งของ Zephyr GPIO driver อย่างเช่น gpio_pin_get_dt() ซึ่งมีการเรียกใช้คำสั่ง gpio_pin_get() เพื่ออ่านค่าลอจิกของขา GPIO ที่เป็นอินพุต สามารถศึกษาได้จากเอกสารออนไลน์ Zephyr API Doc: group__gpio__interface.html

รูป: คำสั่ง gpio_pin_get_dt()

รูป: คำสั่ง gpio_pin_get()

▷ การทดลองกับบอร์ด ESP32-C3#

ตัวอย่างนี้ใช้โค้ดจากตัวอย่างที่แล้ว แต่จะเปลี่ยนมาลองใช้บอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ที่มีชิป ESP32C3 และเลือกใช้บอร์ดที่สื่อสารกับคอมพิวเตอร์ผ่าน USB โดยตรง (ไม่มีชิปหรือวงจรภายนอกสำหรับ USB-to-Serial Bridge) เช่น

บอร์ด LUATOS CORE-ESP32C3
บอร์ด WeAct Studio ESP32-C3FH4 Mini Core

ดังนั้นจึงต้องมีการสร้าง Build ใหม่ และแก้ไขไฟล์ app.overlay สำหรับขา GPIO ให้ตรงกับบอร์ดที่ใช้งาน ในตัวอย่างนี้ได้มีการต่อวงจรปุ่มกดภายนอก (Active-low) สำหรับขา GPIO-2 และใช้วงจร LED บนบอร์ด ซึ่งตรงกับขา GPIO-8

File: app.overlay

/ {
    aliases {
        led0 = &led0;
        sw0 = &button0;
        sw1 = &button1;
    };

    buttons {
        compatible = "gpio-keys";
        button0: button_0 {
            gpios = <&gpio0 9 GPIO_ACTIVE_LOW>;
            label = "BOOT button";
        };
        button1: button_1 {
            gpios = <&gpio0 2 GPIO_ACTIVE_LOW>;
            label = "User button";
        };        
    };

    leds {
        compatible = "gpio-leds";
        led0: led_0 {
            gpios = <&gpio0 8 GPIO_ACTIVE_LOW>;
            label = "LED 0";
        };
    };
};

รูป: การทำขั้นตอน Build สำหรับ ESP32C3

▷ กล่าวสรุป#

บทความนี้ได้นำเสนอขั้นตอนการสร้างโปรเจกต์ใหม่ใน VS Code IDE + Zephyr IDE Extension (ทดลองกับระบบปฏิบัติการ Windows 11) ได้ทดลองเขียนโค้ดร่วมกับ Zephyr RTOS ในเบื้องต้น และมีตัวอย่างโค้ดที่สามารถนำไปทดลองใช้กับบอร์ด ESP32 และ ESP32C3 ได้จริง

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

Created: 2024-12-14 | Last Updated: 2024-12-15

Keys	Action
`?`	Open this help
`n`	Next page
`p`	Previous page
`s`	Search