Zephyr领进门系列：使用MCUXPresso插件开发Zephyr

NXP管管

应广大读者朋友的热情邀请，我们特别策划了“Zephyr领进门”系列介绍(共十篇)，旨在为大家深度剖析Zephyr OS——这一备受瞩目的开源实时操作系统。从使用MCUXPresso插件进行开发的基础知识，到构建工具的详解，再到环境安装的步骤指导，我们将一步步带你走进Zephyr的世界。此外，我们还准备了如何从0写自己的helloWorld示例来详细介绍调试技巧，助你轻松上手并深入掌握。


背景与发展
Zephyr OS的开发始于2016年，旨在提供一种适用于低功耗设备的实时操作系统。随着物联网（IoT）技术的迅速发展，Zephyr OS逐渐演变为一个由Linux基金会主办的社区驱动项目，支持多种硬件架构，包括ARM Cortex-M系列、x86、RISC-V等。Zephyr的设计理念是为各种资源受限的设备提供一个高效、可扩展的操作系统解决方案。
随着时间的发展，Zephyr OS的开发得到了全球开发者和企业的支持，形成了一个活跃的社区。

主要特性
1. 轻量级设计


Zephyr OS的内核非常小巧，通常在几KB到几十KB之间，这使得它能够在极低功耗和资源受限的环境中运行。其设计目标是尽量减少内存使用和CPU占用，使得开发者能够在小型微控制器上运行复杂的应用程序。


2. 模块化架构
Zephyr OS采用模块化设计，允许开发者根据具体需求选择和配置功能模块。开发者可以通过Kconfig系统轻松启用或禁用特定功能，从而优化系统性能和资源使用。这种灵活性使得Zephyr能够适应多种不同的应用场景。


3. 多线程与调度
Zephyr OS支持多线程编程，提供优先级调度机制，允许开发者创建响应迅速的应用程序。其调度算法能够有效管理多个任务，确保实时性和稳定性。开发者可以为每个线程设置优先级，从而优化任务的执行顺序，满足实时应用的需求。


4. 设备驱动支持
Zephyr OS内置了多种设备驱动程序，支持各种传感器、通信模块和外设。通过统一的API，开发者可以方便地与硬件交互，简化开发过程。此外，Zephyr还支持设备树（Device Tree）机制，使得硬件描述更加灵活，便于移植和扩展。


5. 网络支持
Zephyr OS支持多种网络协议，包括IPv4、IPv6、Bluetooth、LoRa、Zigbee等。这使得它能够轻松连接到各种网络，适应不同的应用场景。Zephyr的网络堆栈经过优化，能够在资源有限的设备上高效运行。


6. 安全性
随着IoT设备的普及，安全性成为一个重要问题。Zephyr OS在设计时考虑了安全性，提供了多种安全功能，如安全启动、加密、访问控制等。此外，Zephyr还支持TLS/SSL协议，确保数据传输的安全性。


开发环境
Zephyr OS提供了一套完整的开发工具链，包括SDK、编译器和调试工具。开发者可以使用C或C++编写应用程序，并通过Zephyr的命令行工具进行构建和调试。
1. Zephyr SDK
Zephyr SDK是一个跨平台的开发环境，包含了构建Zephyr应用所需的所有工具。它支持Linux、Windows和macOS等操作系统，方便开发者在不同平台上进行开发。SDK中包含了编译器、调试器、模拟器等工具，帮助开发者快速构建和测试应用。


2. 示例应用


Zephyr OS提供了丰富的示例应用程序，帮助开发者快速上手。这些示例涵盖了从简单的LED闪烁到复杂的传感器数据采集等多种应用场景。开发者可以根据这些示例学习如何使用Zephyr的API和功能，加速开发过程。


3. 文档与支持
Zephyr OS提供了详细的官方文档，包括API参考、开发指南和教程，帮助开发者理解和使用Zephyr。此外，社区也提供了多种支持渠道，如邮件列表、论坛和社交媒体，开发者可以在这些平台上交流经验、解决问题。


NXP与Zephyr
恩智浦（NXP）作为Zephyr项目的创始成员之一，一直以六大白金会员的身份持续坚定地支持该项目。Zephyr项目的特点与恩智浦面向边缘连接设备的产品组合高度契合，特别是在安全、互联且具备安全认证的设备方面。目前，多个恩智浦平台已获得恩智浦客户和Zephyr社区的共同支持。为了进一步推动产品系列中超级平台的更全面支持，恩智浦正在加大投入。这不仅为低端部件提供了更便捷的支持路径（例如，从i.MX RT1064平台衍生出对i.MX RT1020的支持等）。当然除了NXP官方对于不同嵌入式平台的支持，一些社区和爱好者们也为NXP平台的Zephyr支持贡献了自己的一份力量。
NXP与Zephyr开发模式
恩智浦（NXP）及社区共同贡献并维护了Zephyr的upstream工作组。NXP积极参与upstram工作组的开发工作，并在MCUXpresso SDK的基础上进行开发。SDK的裸机驱动程序和CMSIS设备头文件已被贡献到上游。通过Shim驱动程序将SDK接口适配到Zephyr接口，以最大化代码重用。此外，所有经过推送的Zephyr代码，都会在NXP的board farm中进行硬件测试以保证代码的可靠性以及稳定性。
当新产品发布后，NXP会首先提供新产品的Zephyr基础支持，所谓基础支持可以理解为Zephyr的最小系统，如下表所示，包括系统内核、控制台以及一些基础驱动的支持：

从2021年开始，恩智浦就已经遵循此规范进行开发，从基础支持开始，逐步推进，并最终推出完整的外设支持：


第一个里程碑是在NXP的新产品发布后，在最近的Zephyr版本中进行基础版本的开发以及代码推送。


第二个里程碑是完整的代码发布。


当然，NXP欢迎Zephyr社区和客户为任何恩智浦平台贡献和增强驱动程序代码。


最终，我们会将完整的代码支持全部推送到Zephyr主线中，以FRDM-K64F为例，全平台支持。


NXP的Zephyr支持
当使用NXP的产品开发Zephyr并遇到问题时，可以通过公共的Zephyr社区进行支持-NXP Zephyr Community。这样可以将所有公开讨论和解决方案集中在同一位置，并且客户可以从整个Zephyr社区的帮助中受益。

此外，恩智浦也提供了私人支持。恩智浦的公共社区还中有一个专门的Zephyr页面，恩智浦的支持团队会实时监控Zephyr社区，以帮助客户解决特定于恩智浦平台的问题。 当然也可以通过正常的支持渠道，联系CAS和DFAEs获得Zephyr支持。

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