Zephyr RTOS 〜 Lチカのその先へ 〜

1. 対象

RTOS である Zephyr に興味はあるけど「どこから始めたらいいの？」や「Lチカはやったけどその後何すればいいの？」って方を対象にしています。

参考：Zephyr RTOS の公式手順

2. 背景と目的

下記のような「困り事」を解消できればと思い、実装・運用事例集としてリポジトリを公開しました

• サンプルのLチカするまではすんなり行けた　で、そのあとは…？
• そもそもさくっと動かせる環境がほしい
• GPIO へのアクセス手段が色々方法あるけど、結局どうすりゃいいの？
  → Zephyr RTOS 〜 GPIO を叩く！ 〜
• マルチスレッドや排他処理などの管理方法はどうしよう(予定)
• DeviceTree や CMake / Kconfig(予定) の構成など考えることがたくさん！
• せっかくの移植性の高さを活かしたいけど、すべて管理すると膨大すぎて困る
• 開発中は Zephyr 本体のバージョンを、チーム内で固定・統一化して運用したい
• 移植性なども考慮したいけど、どんなディレクトリ構成にすれば？
• コードエディタのコード補完や定義元ジャンプ、ステップ実行なども利用したい！

絶対的な答えではなく、これを足掛かりにしてカスタムしてもらえると幸いです
(さらにフィードバックもあると幸甚です)

3. 公開リポジトリ

ZephyrOpsPlaybook

上記 README.md に従って進めていけば、vscode(要別途インストール) 上で開発できるようになっています。
いろんな入出力機器が標準で付いている micro:bit v2 であれば、ドライバ制御のサンプルも動かすことが可能です

↓は vscode を使って micro:bit v2 向けに build 〜 flash 〜 debug までを行った様子

• Nordic 系と micro:bit、STM32 系のボードを対象に絞り込んでいます(解説は別記予定)
• Zephyr のバージョンは、v4.0.0 で固定しています(解説は別記予定)
• Windows / Linux どちらでも動作確認できている bbc_microbit_v2 がお勧めです
  • 単体でLED、ブザーやボタンなどの入出力や、複数のセンサー、BLEによる無線通信などが利用でき、JTAG などの追加ハードウェア不要で break を張ってステップ実行までできるのでかなりお得！

• micro:bit v2 の BLE は他の機能と干渉しやすく、BLE を有効にすると磁気センサーとデバッグ実行がうまく動作していません。現時点ではデフォルトで drv_init_bleperiph() を呼ばないようにしており、BLE 利用の際はこのコメントアウトを外してください。
• その他、STM 系も対象にしていますが、公式がすべてのボードを更新しきれておらず、west flash はできても一部 west debug がそのままでは動作しないものがあります
  • 例えば nucleo_f401re は Linux では一通り動作しますが、Windows では west debug が機能しません
  • もちろん私個人レベルではすべてのボードで動作確認ができませんので、あしからず
• 一部スクリプトを用意していますが、不慣れなコマンドプロンプトに引っ張られて .sh 側の機能も控えめにしています(改善点あればぜひ)

4. 機能の説明

micro:bit v2 であれば以下の機能が動作しています(2024/12現在)

micro:bit v2 用の機能

• UART 入出力
  • baudrate 115200
  • Linux だと /dev/ttyACM0 を指定
• ビープ
  • 後述のボタン操作によるビープ音
  • 後述のコマンド操作によるビープ音
• LED(テキスト表示)
  • drv_disp_print() を呼ぶことで任意のテキストをLEDに表示
  • 後述のコマンドによる随時実行
• 加速度センサ
  • 後述のコマンド操作による随時取得
• 磁気センサ
  • 後述のコマンド操作による随時取得
  • ※ BLE ドライバと同時利用はできず、drv_init_bleperiph() を呼ばないようにコメントアウトが必要
• ボタン
  • Aボタンで音階を下げてビープ音を鳴らす
  • Bボタンで音階を上げてビープ音を鳴らす
• BLE
  • ペアリングのみ
    • 有効にする場合は drv_init_bleperiph() のコメントアウトを外してください
    • 各種サービスはサンプルを随時実装予定
• UART 経由でコマンド操作(shell)によるドライバテスト
  • LED に文字列表示
    • exec print playbook 500 で LED に "playbook" を 500msec 間表示
  • ビープ
    • exec beep play でビープ音再生
    • exec beep raise でビープ音の音階を上げる
    • exec beep raise でビープ音の音階を下げる
  • 加速度センサー
    • exec accel 5 で加速度センサーで得た数値を5回表記(数字省略で3回)
  • 磁気センサー
    • exec magnet 5 で磁気センサーで得た数値を5回表記(数字省略で3回)

micro:bit 用の機能 (v2との差分)

• ビープ
  • 標準装備されていませんが、KittenBot IOBIT に繋ぐと v2 と同様鳴動することを確認できています
• 加速度センサ
  • 公式のドライバを呼ぶようにしていますがうまく動作しておらず…
• ボタン
  • Aボタンで音階を下げてビープ音を鳴らす(要KittenBot IOBIT)
  • Bボタンで音階を上げてビープ音を鳴らす(要KittenBot IOBIT)
• BLE
  • Zephyr だと BLE を有効にすると RAM が足りずに動作不可

      
helloworld 表示(左)と、実機を振りながら加速度センサーと、磁気センサーの値を表示した様子(右)

5. 今後入れておきたい機能

• マルチスレッドやIPCのサンプル実装
• Kconfig の活用
• micro:bit の各種センサー類の有効化
• 公式にはないI2Cデバイスの有効化
• 内蔵FLASHへの読み書き
• Test や静的解析ツールのサンプル導入(実はまだ手探り)