Zephyr OS 开发极速入门

Zephyr OS 开发极速入门

Zephyr OS简介

Zephyr 是由 Linux 基金会托管的开源协作项目，目标是构建一个针对资源受限设备的小型、可裁剪的实时操作系统(RTOS)。Zephyr 项目非常适合构建简单的传感器网络、可穿戴设备以及小型物联网无线网关。系统采用模块化设计，支持多种 CPU 架构，开发人员可以很容易的根据需求定制一个最优的解决方案。

Zephyr 相比其他开源物联网系统具有以下优点：

• 开源：使用 Apache 2.0 开源许可；
• 模块化：针对受限制的物联网设备而设计，可以通过 Kconfig 裁剪功能选项，从而实现用户自定义的最佳配置；
• 联网能力：系统中提供了多种针对低功耗、内存受限设备的连接协议，支持低功耗蓝牙(BLE)、wifi、802.15.4以及其他标准，包括6lowpan、coap、ipv4和ipv6 ；
• 安全性：项目在开发过程中将安全因素考虑在内，该项目中提供了安全验证、模糊和渗透测试、代码审查、静态代码分析、威胁建模和审查等多种检测方法，用来防止代码中存在后门和漏洞。以上工作由专门的安全小组及维护人员进行监督和维护。

zephyr 开发环境搭建

下面介绍如何在Ubuntu 1604 Desktop环境下构建Zephyr开发环境。构建Zephyr开发环境需要在Ubuntu中正确安装Pyhton3和CMake等工具，除此之外还需要正确获取Zephyr源代码和Zephyr SDK。

更新软件源

sudo apt-get update
sudo apt-get upgrade

安装依赖包

# 安装依赖项
sudo apt-get install --no-install-recommends git cmake ninja-build gperf \
    ccache doxygen dfu-util device-tree-compiler \
    python3-ply python3-pip python3-setuptools xz-utils file make gcc-multilib

克隆zephyr代码仓库

把zephyr代码克隆到用户目录中，例如克隆至repo/zephyr文件夹中。

mkdir -p repo
cd repo
git clone https://github.com/zephyrproject-rtos/zephyr

安装必要的python3依赖工具

# 进入zephyr文件夹
cd zephyr
# 通过pip3工具安装其他依赖项
pip3 install --user -r scripts/requirements.txt

安装CMake

zephyr 的开发需要 cmake 3.8.2 或以上版本，通过 ubuntu 软件仓库安装的 cmake 版本较低并不符合要求，可通过以下步骤把合适的CMake安装到$HOME/cmake。

mkdir $HOME/cmake && cd $HOME/cmake
wget https://cmake.org/files/v3.8/cmake-3.8.2-Linux-x86_64.sh
yes | sh cmake-3.8.2-Linux-x86_64.sh | cat

把CMake安装目录增加到用户环境变量中，修改用户目录中的.bashrc文件的最后增加一行

export PATH=/bin:$PATH

新建一个控制台，在控制台中输入cmake --version验证cmake工具是否安装成功，此处CMake的版本编号为3.8.2。

cmake --version
    cmake version 3.8.2

安装 zephyr SDK

zephyr SDK 会自动安装被支持硬平台所依赖的编译、下载、调试等工具。本文中使用的SDK版本为 0.9.2。安装过程中控制台将出现Zephyr SDK安装路径的提示，建议把zephyr SDK安装到用户目录\opt\zephyr-sdk文件夹中。

# 下载SDK
wget https://github.com/zephyrproject-rtos/meta-zephyr-sdk/releases/download/0.9.2/zephyr-sdk-0.9.2-setup.run
# 安装SDK
chmod +x zephyr-sdk-0.9.2-setup.run
./zephyr-sdk-0.9.2-setup.run

设置环境变量

在用户目录.bashrc文件末尾再增加ZEPHYR_GCC_VARIANT、ZEPHYR_SDK_INSTALL_DIR和ZEPHYR_BASE等参数，修改完成之后在控制台执行source .bashrc，该指令可使新增加的环境变量立即生效。

cat ~/.bashrc
export PATH=/bin:$PATH
export ZEPHYR_GCC_VARIANT=zephyr
export ZEPHYR_SDK_INSTALL_DIR=
export ZEPHYR_BASE=

QEMU环境执行Hello World

完成上述安装过程后，可以通过 hello world 示例验证 zephyr 开发环境是否一切正常。此处使用qemu_x86仿真平台进行验证。此处编译生成的hello world可执行文件将运行于QEMU仿真平台。

相关文件介绍

$ZEPHYR_BASE/samples/hello_world文件夹中包含以下几个重要文件，虽然其他的示例的功能与这个hello world 示例存在差别，但是各示例目录的文件结构却高度相似。
- CMakeLists.txt构建文件，用于生成makefile；
- src/main.c主函数文件；
- prj.conf配置文件

编译与执行

通过CMake生成Makefile文件时，需要通过BOARD参数指定目标平台,此处指定为qemu_x86平台。

cd $ZEPHYR_BASE/samples/hello_world
# 新建一个build目录，用于存放临时文件
mkdir -p build && cd build
# 通过cmake指令生成qemu_x86平台makefile文件
cmake -DBOARD=qemu_x86 ..
# 编译
make
# 执行
make run
    To exit from QEMU enter: 'CTRL+a, x'
    [QEMU] CPU: qemu32,+nx,+pae
    qemu-system-i386: warning: Unknown firmware file in legacy mode: genroms/multiboot.bin

    ***** BOOTING ZEPHYR OS v1.10.99 - BUILD: Jan 20 2018 09:40:00 *****
    Hello World! x86

nucleo stm32平台执行行blinky

zephyr支持多种ARM平台和Arduino平台，其中也包括数个nucleo stm32平台，下面以nucleo stm32f429zi为例说明如何在STM32平台执行blinky示例。

Ubuntu中安装stlink工具

为了把blinky固件下载至目标板中，需要在Ubuntu中正确安装stlink工具，安装步骤如下：

# 安装依赖库
sudo apt-get install libusb-1.0

# 克隆stlink工具
git clone https://github.com/texane/stlink
# 编译
make release
make debug
cd build
cmake -DCMAKE_BUILD_TYPE=Debug ..
make
# 安装
cd Release
sudo make install

重新拔插STM32F4开发板USB端口后，固件便可正确下载至STM32目标版。

编译与执行

# 进入 blinky 示例
cd $ZEPHYR_BASE/samples/basics/blinky
# 新建build文件夹
mkdir -p build && cd build
# 指定目标平台
cmake -DBOARD=nucleo_f429zi ..
# 编译
make
# 下载固件
make flash

相较于QEMU平台的hello world示例,该示例通过make flash命令把固件下载至STM32F4目标板中。

总结与比较

• zephyr开发过程可通过QEMU仿真平台进行验证，可减少一部分开发工作量；
• zephyr除了支持QEMU仿真平台外，还支持STM32、CC2650等常用平台，上手较为容易；
• zephyr使用CMake作为构建工具，相较于contiki，zephyr重新构建应用的学习成本更低，学习周期更短；
• 和contiki相似，zephyr有更好的网络功能，这些网络功能包含ipv6,coap和lwm2m，这些协议将在未来物联网应用被中被广泛使用。

参考文档

• Getting Started Guide
• Development Environment Setup on Linux
• zephyr sdk github
• zephyr sdk download
• Install the Windows Subsystem for Linux