O documento apresenta o sistema operacional Zephyr, desenvolvido para dispositivos embarcados. É descrito como o Zephyr oferece um kernel de tempo real leve e escalável através de sua arquitetura de nanokernel e microkernel. Além disso, são demonstrados recursos como threads, sincronismo, drivers de dispositivos e como configurar e compilar aplicações para rodar no Zephyr.

1. Globalcode – Open4educationGlobalcode – Open4education
Embarcados – Zephyr o sistema operacional de
tempo real da Linux Foundation
Felipe Silva Neves

2. Globalcode – Open4education
Agenda:
Zephyr, visão geral e motivações;
Aquitetura do kernel:
Estrutura de diretórios;
O nanokernel;
O microkernel;
Introdução ao sistema de build:
Obtendo o kernel;
O utilitário menuconfig;
A estrutura do diretório da aplicação;

3. Globalcode – Open4education
Agenda cont.:
Demo: “Placa Freedom K64F, blink LED”;
Kernel object basics:
Threads e fibers;
Sincronismo com semáforos;
Mensagens entre threads (Queues);
Modelo de device drivers:
O device model;
Demo: “Driver I2C comunicando com acelerômetro”;
Conclusão.

4. Globalcode – Open4education
Zephyr, visão geral:
Desenvolvido a partir da seguinte parceria:

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Zephyr, visão geral:
Sistema operacional de tempo real;
Direcionado a dispositivos com restrições de memória e
processamento;
Escalável, footprint de memória ajustável;
Portável para multiplas arquiteturas;
Código aberto, manutenção por parceiros e comunidade.

6. Globalcode – Open4education
Zephyr, motivações:
Kernel de tempo real para dispositivos como microcontroladores;
Foco em aplicações voltada para internet das coisas (IoT);
Desenvolvimento de melhorias facilmente implementadas pelo usuário;
Reaproveitamento de ferramentas já existentes;
Normalização de sistema operacional embarcado;
Projeto colaborativo.

7. Globalcode – Open4education
Aquitetura do kernel:
O Zephyr é um projeto completo em termos de sistema operacional
embarcado:

8. Globalcode – Open4education
Estrutura de diretórios:
O Zephyr possui a organização própria dos diretórios do kernel:

9. Globalcode – Open4education
O nanokernel:
Suporta dois contextos de execução: Fibers e ISR;
Scheduling cooperativo;
Kernel objects elementáres:
LiFo;
FiFo;
Pilhas;
Semáforos;
Timers.
Menor footprint de memória possível, chegando a 8KB;
Uso em tarefas de altíssima prioridade e que precisam de
desempenho.

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O microkernel:
Possui um terceiro contexto de execução: Task (ou Threads);
Scheduling preemptivo;
Serviços mais complexos e poderosos:
Queues;
Mutexes (protegidos contra race-condition e inversão de prioridade);
Eventos;
Mailboxes;
Permite o uso de todos os serviços do nanokernel;
Maior footprint de memória podendo chegar a 512KB.

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O sistema de build:
O zephyr possui seu próprio sistema de build;
Toda infraestrutura (toolchains, binutils) são providas pelo kernel;
O uso de uma toolchain nova pode ser adicionado;
Toda a configuração do kernel é feita através de um menu de
configuração;
O kernel (bem como as toolchains) estão disponíveis para:
Windows, Linux e Mac;
Possibilidade de construir a própria toolchain;

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Obtendo o kernel:
Pode ser obtido diretamente da página de downloads:
https://www.zephyrproject.org/downloads
O kernel é versionado utilizando git;
Assim uma forma alternativa de obter é clonando o repositório:
git clone https://gerrit.zephyrproject.org/r/zephyr

13. Globalcode – Open4education
O utilitário menuconfig:
O Zephyr é um kernel altamente configurável;
Configurar todas as opções do kernel através do código seria
cansativo;
O Zephyr então gera toda a infraestrutura de build através do
conhecido menuconfig:

14. Globalcode – Open4education
O utilitário menuconfig:

15. Globalcode – Open4education
O diretório da aplicação:
Assim como o diretório do kernel, o zephyr possui um padrão para o
diretório de aplicação:

16. Globalcode – Open4education
Demonstração de app:
Nessa demonstração vamos configurar uma aplicação com LED RGB;
O hardware alvo utilizado: Freedom Board K64 da NXP;
A aplicação usa o Zephyr no modo microkernel e cria 3 threads;
Cada thread abre o device driver de GPIO e manipula o led
correspondente;

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Kernel object basics:
Como todo bom sistema de tempo real o zephyr oferece uma gama de
serviços (kernel objects);
Alocação de objetos pode ser pública: arquivo .mdef;
Ou privada utilizando a macro: DEFINE_XXX(name);
Kernel objects do nanokernel só podem ser alocados de forma privada.

18. Globalcode – Open4education
Threads e fibers:
O Serviço de kernel mais elementar;
Threads:
Preemptivo;
Execução opcional em round-robin;
Executa sempre a de maior prioridade primeiro (exceto em caso de fiber ou ISR
pronta).
Fibers:
Cooperativo;
 Possui sistemas de prioridade;
 Como não possui preempção, fiber controla quando deve suspender;
 Executa a de maior prioridade sempre( exceto em caso de ISR pronta).
• Alocação estática ou em runtime.

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Threads e fibers:
• Alocação de objeto através do arquivo .mdef:

20. Globalcode – Open4education
Sincronismo com
semáforos:
• Úteis para gerenciamento de recursos compartilhados;
• Sincroniza tarefas de diferentes prioridades;
• sema / nano_sema:
 Iguais em funcionalidade;
 Totalmente configuráveis;
 Inicialização configurável.
• Alocação estática, ou, em runtime.

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Sincronismo com
semáforos:
• Alocando através do arquivo .mdef:

22. Globalcode – Open4education
Mensagens entre
threads (Mailboxes):
• Mesmo que independentes, comumente tasks precisam se comunicar;
• O zephyr oferece vários recursos de messaging;
• Queue ou Mailbox:
 Altamente configurável;
 Possui recurso de execução ISR safe;
• Alocação também de forma estática ou em runtime.

23. Globalcode – Open4education
Mensagens entre
threads (Queues):
• Alocação pública, via arquivo .mdef:
• Queues possuem uma particularidade, o message descriptor :

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Modelo de device
drivers:
• De forma similar ao Linux, o Zephyr possui sua “userland”;
• Utilizada para comunicação com hardware da SoC;
• Controlam o acesso ao hardware e a área de memória crítica;
• Oferece chamadas síncronas;
• O modelo de device é uniforme e independente do tipo de driver.

25. Globalcode – Open4education
O device model:
• O modelo de device do zephyr está todo contido no arquivo device.h
• Diferentes devices, mesmo device model:

26. Globalcode – Open4education
O device model:
• Utilizando um device driver:

27. Globalcode – Open4education
Demo: “Driver I2C comunicando
com acelerômetro”;
• O driver pode ser configurado ou não no menuconfig;
• Demonstraremos o poder das chamadas síncronas;
• Cada thread irá ler uma coordenada do acelerômetro;
• Todas usam o mesmo driver, porém o kernel se encarrega do
sincronismo;
• Driver não disponível, bloqueia a thread até ficar livre.

28. Globalcode – Open4education
Conclusão:
• O Zephyr é uma alternativa ao Linux para execução em tempo real;
• Muito dos conceitos do irmão maior são aproveitados;
• Sua alta configurabilidade o torna uma opção para diferentes SoCs;
• IoT friendly, mas não apenas limitada a essa aplicação;
• O Zephyr está em constante desenvolvimento;

29. Globalcode – Open4education
Conclusão:
• Mais informaçoes sobre o projeto:
 https://www.zephyrproject.org
 https://www.zephyrproject.org/doc/

30. Globalcode – Open4education
Obrigado!