Creazione di sistemi embedded scalabili con Zephyr RTOS e le piattaforme di NXP Semiconductors

I sistemi embedded hanno sempre comportato compromessi e gli ingegneri hanno dovuto scegliere tra prestazioni e potenza, flessibilità e determinismo, velocità di commercializzazione e manutenibilità a lungo termine. Per la maggior parte, questi compromessi erano gestibili. L'hardware era limitato, i requisiti erano ristretti e un microcontroller poteva fare poco più che leggere un sensore o gestire una semplice interfaccia utente, spesso utilizzando un firmware bare-metal scritto direttamente attorno a un singolo anello di controllo.

Ora non è più così. I moderni sistemi embedded sono costruiti per fare molto di più. I dispositivi IoT, i controller di automazione industriale e i nodi di edge computing devono ora supportare simultaneamente e in modo affidabile la connettività wireless, gli stack di sicurezza, gli aggiornamenti del firmware OTA (via etere) e la comunicazione multiprotocollo, spesso su microcontroller a risorse limitate con budget di potenza e memoria ristretti. Lo sviluppo bare-metal non offre una buona scalabilità in un ambiente di questo tipo.

Quando più funzioni devono operare contemporaneamente, ognuna con requisiti temporali e priorità differenti, un anello di controllo sequenziale diventa rapidamente difficile da gestire. I team di sviluppo finiscono per passare settimane a scrivere scheduler personalizzati, a fare il porting dei driver e a risolvere conflitti di integrazione di basso livello solo per far funzionare il sistema in modo affidabile.

Un sistema operativo embedded in tempo reale affronta questo problema gestendo le attività concorrenti, allocando il tempo del processore e garantendo che le operazioni critiche dal punto di vista temporale vengano eseguite in modo prevedibile. Tuttavia, il solo scheduling dei task non è sufficiente per i moderni sistemi embedded. I progettisti di sistemi hanno bisogno di stack di rete, librerie di sicurezza, supporto Bluetooth e ampia compatibilità hardware, tutti mantenuti e pronti per la produzione all'interno di un unico framework. Zephyr RTOS offre esattamente questo.

Una base per lo sviluppo di firmware embedded

Zephyr è un sistema operativo in tempo reale (RTOS) open-source ospitato dalla Linux Foundation. Supporta piattaforme che vanno dai microcontroller Cortex-M a bassa potenza ai processori di classe edge più capaci, assicurando la scalabilità dello stesso framework software su un'ampia gamma di applicazioni embedded.

Il sistema è costruito attorno a un'architettura modulare, basata su Kconfig, che consente agli sviluppatori di selezionare solo i sottosistemi richiesti dalle loro applicazioni, come stack di rete, Bluetooth Low Energy (BLE), supporto per dispositivi USB, librerie crittografiche, file system e funzioni di gestione dell'alimentazione. Tutto ciò che non è selezionato viene escluso in fase di compilazione, assicurando la scalabilità del firmware con l'applicazione piuttosto che con l'ingombro fisso del sistema operativo. Questa flessibilità è fondamentale nello sviluppo di firmware con risorse limitate.

A livello di kernel, Zephyr offre uno scheduling preventivo basato sulla priorità con latenza di interrupt limitata e risoluzione dei tick configurabile. Questo comportamento deterministico in tempo reale consente di eseguire operazioni time-critical, come il controllo motori, il campionamento dei sensori, gli anelli di controllo industriale e le attività di comunicazione wireless, in modo prevedibile, anche in ambienti multi-thread.

Il modello di astrazione hardware espone periferiche quali GPIO, SPI, I2C e PWM attraverso API stabili, indipendentemente dal chip sottostante. Utilizzando Board Support Package (BSP) per mappare queste interfacce su hardware specifico, Zephyr consente agli sviluppatori di scrivere firmware portatili che evitano configurazioni di registro specifiche della piattaforma, riducendo in modo significativo il lavoro necessario per migrare o scalare i progetti di sistemi embedded.

Oltre al kernel, Zephyr include sottosistemi pronti per la produzione per Bluetooth 5.x, IEEE 802.15.4, uno stack TCP/IP nativo, MQTT, CoAP, TLS tramite Mbed TLS e avvio sicuro tramite MCUboot. Questi componenti vengono attivamente mantenuti, testati su hardware reale e ampiamente utilizzati in prodotti commerciali, riducendo la necessità per gli sviluppatori di assemblare e validare in modo indipendente lo stack software (Figura 1).

Figura 1: Schema dell'architettura di Zephyr RTOS, che mostra l'intero stack software dal livello piattaforma attraverso il kernel, i servizi OS e i servizi applicativi fino al livello applicazione. (Immagine per gentile concessione di NXP Semiconductors)

Zephyr offre una solida base software per il moderno sviluppo embedded. Tuttavia, la realizzazione di tutte le sue capacità in un progetto di produzione dipende anche dall'ecosistema dell'hardware su cui viene eseguito. I BSP, i driver delle periferiche e l'allineamento della toolchain di un fornitore di chip determinano la capacità di Zephyr di offrire un firmware funzionante. Quando questi sono incompleti o immaturi, i problemi di integrazione emergono in ritardo nel ciclo di sviluppo, dove la loro risoluzione è più costosa.

L'importanza dell'ecosistema hardware nei sistemi embedded

Il divario tra la capacità dell'RTOS e la disponibilità dell'hardware è il punto in cui la forza dell'ecosistema del chip sottostante diventa una considerazione ingegneristica critica. NXP Semiconductors colma tale divario con il supporto Zephyr, leader del settore, in tutta la sua vasta gamma di microcontroller e processori.

In qualità di uno dei sei membri fondatori di Zephyr Project, NXP Semiconductors ha contribuito fin dall'inizio a plasmarne l'architettura e la direzione nell'ambito della Linux Foundation. Questo coinvolgimento fondamentale si riflette nella profondità, nella coerenza e nell'ampia gamma del supporto Zephyr oggi assicurato da NXP.

Attualmente NXP offre più di 40 piattaforme hardware con supporto per Zephyr OS, che comprendono MCU wireless a bassa potenza, processori crossover ad alte prestazioni, endpoint IoT sicuri e controller di grado automotive con connettività CAN FD. In tutti questi casi, il supporto della scheda Zephyr viene mantenuto e allineato alle capacità di ciascuna piattaforma, dando ai team di sviluppo l'accesso a un framework software coerente nell'intera la gamma dell'hardware di NXP.

NXP Semiconductors ottiene questa compatibilità contribuendo direttamente ai sottosistemi principali di Zephyr RTOS, allo sviluppo di driver upstream e all'abilitazione della piattaforma all'interno della base di codice principale, non come fork specifici del fornitore o set di patch out-of-tree. L'assistenza hardware di NXP Semiconductor viene aggiornata con ogni release trimestrale di Zephyr, coprendo nuove funzionalità di rete, miglioramenti del sottosistema di sicurezza e aggiornamenti del kernel. Di conseguenza, i team di sviluppo non devono attendere un aggiornamento SDK del fornitore separato per accedere alle nuove funzionalità di Zephyr, poiché il supporto per tali funzionalità è già presente a monte.

Il set di tool di NXP completa questo allineamento. L'IDE MCUXpresso, LinkServer e Visual Studio Code con l'estensione MCUXpresso si integrano tutti con il sistema di build di Zephyr basato su West, offrendo ai team di sviluppo un ambiente coerente dal primo avvio alla produzione. Il supporto della sonda di debug J-Link con SEGGER Ozone consente il debug thread-aware direttamente nelle applicazioni Zephyr. L'azienda fornisce anche guide all'avvio, guide di laboratorio, note applicative e risorse di formazione specifiche per lo sviluppo di Zephyr sul proprio hardware.

Per i team che implementano Zephyr RTOS in produzione, la combinazione offerta da NXP Semiconductors in termini di coinvolgimento in qualità dio membro fondatore, ampio supporto hardware, contributi attivi upstream e set di tool allineati ne fanno una base hardware forte e coerente per sistemi embedded affidabili.

Dallo sviluppo alla distribuzione: Zephyr e NXP in pratica

Il valore pratico della combinazione di Zephyr RTOS con l'hardware di NXP Semiconductors diventa più evidente durante lo sviluppo e l'implementazione del firmware. Invece di assemblare manualmente ampie porzioni di stack software durante la costruzione di sistemi embedded, gli sviluppatori possono iniziare la prototipazione sulle piattaforme di valutazione NXP supportate utilizzando un'infrastruttura di sviluppo preintegrata allineata con i flussi di lavoro Zephyr.

Per la maggior parte dei progetti, il punto di partenza naturale è una piattaforma di sviluppo EVK o FRDM di NXP. FRDM-MCXN947 (Figura 2), ad esempio, viene fornito con il supporto BSP di Zephyr completo. Gli ingegneri possono caricare il firmware sulla scheda, eseguire un campione funzionante e passare direttamente all'esplorazione delle periferiche con una configurazione minima. La configurazione delle periferiche segue il modello devicetree di Zephyr, in cui le impostazioni hardware sono definite in modo dichiarativo piuttosto che tramite configurazioni di registro specifiche della piattaforma.

Figura 2: La scheda di valutazione FRDM-MCXN947 per l'MCU Cortex-M33 dual core MCX N947 di NXP, dotata di una sonda di debug MCU-Link integrata e del supporto completo di BSP di Zephyr. (Immagine per gentile concessione di NXP Semiconductors)

L'aggiunta di una periferica, come un sensore SPI o un transceiver CAN, diventa una questione di selezione del driver appropriato e di aggiornamento di un overlay del devicetree piuttosto che di scrittura da zero del codice di inizializzazione. L'implementazione della connettività di rete e della sicurezza segue lo stesso schema. La connettività BLE, il trasporto crittografato tramite Mbed TLS e gli aggiornamenti del firmware OTA tramite MCUboot sono tutti disponibili come sottosistemi Zephyr esistenti, configurati tramite Kconfig.

Il risultato della combinazione di Zephyr RTOS con l'hardware di NXP Semiconductors è un flusso di lavoro di sviluppo che consente ai team embedded di ottenere più rapidamente un firmware pronto per l'applicazione. Questo vantaggio è particolarmente prezioso nelle applicazioni in cui le tempistiche di sviluppo, l'affidabilità e la scalabilità sono fondamentali, come ad esempio:

• Automazione industriale: i controller industriali e i gateway fieldbus richiedono uno scheduling deterministico, un robusto supporto CAN e lunghi cicli di vita dei prodotti. L'architettura dual core di MIMXRT1176CVM8A, con i suoi core Cortex-M7 e Cortex-M4, consente di gestire gli anelli di controllo in tempo reale e le attività di comunicazione su core separati, con l'RTOS che effettua lo scheduling di entrambi in modo indipendente.
• Dispositivi IoT a bassa potenza: questi dispositivi beneficiano direttamente del supporto modulare di Zephyr per la connettività di rete e la gestione dell'alimentazione. FRDM-MCXW71, la piattaforma di sviluppo di NXP Semiconductor per i nodi finali IoT alimentati a batteria, integra un core dell'applicazione Cortex-M33 con connettività wireless multiprotocollo, inclusi BLE e Thread. Eseguendo Zephyr RTOS, può utilizzare il tickless idle e il ciclo di lavoro radio per bilanciare la connettività e la durata della batteria. La logica di gestione dell'alimentazione si trova nell'RTOS, mentre l'applicazione gestisce il comportamento del sensore.
• Edge computing: MIMXRT685SFVKB, che integra un DSP HiFi4 e un'unità di elaborazione neurale Ethos-U55 accanto al core Cortex-M33, supporta applicazioni che combinano l'acquisizione di dati in tempo reale con l'inferenza locale (Figura 3). L'esecuzione di TensorFlow Lite Micro su Zephyr per questa piattaforma consente applicazioni quali la manutenzione predittiva senza scaricare l'elaborazione sul cloud.

Figura 3: L'MCU crossover MIMXRT685SFVKB combina un core Arm Cortex-M33 con un DSP HiFi4 Cadence Xtensa. (Immagine per gentile concessione di NXP Semiconductors)

Sebbene queste siano tra le applicazioni più comuni, la combinazione di Zephyr RTOS con l'ecosistema di NXP Semiconductors è adatta a qualsiasi applicazione embedded che richieda prestazioni e affidabilità.

Conclusione

Con l'aumento delle esigenze dei sistemi embedded, le basi software e hardware su cui vengono eseguiti sono sempre più critiche. Zephyr RTOS fornisce il framework software modulare e scalabile che lo sviluppo del firmware embedded moderno richiede. NXP Semiconductors, in qualità di membro fondatore di Zephyr Project con un ampio supporto hardware, un contributo upstream e set di tool allineati, traduce questo framework in una piattaforma pronta per la produzione e distribuibile.