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@ShigeoYakuno(Shigeo Yakuno)

zybo Z7-20でFreeRTOSを動かしてみた ～最初のマルチタスク実装～

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Last updated at Posted at 2026-06-04

はじめに

今回は Zybo Z7-20 上で FreeRTOS を使ってみました。
前半は最小構成として 2つのタスクからUARTへメッセージを送るだけ の動作を確認します。
後半では、GEMを使ったEthernet通信を行うため、ミドルウェアのlwipを組み込み、取得したセンサ値をソケットで上位PCに通信したいと思います。

センサはIICの格安モジュール(BME280＋AHT20)を使用します。

今回は、GPIO制御やPL連携まで広げるのではなく、最初に スケジューラが正しく動作しているか、複数タスクが切り替わっているか、UART出力が問題なく見えるか を確認することを目的にします。

今回使用したコードはgitで公開しています

前半の方針

構成はかなりシンプルです。

  • FreeRTOSで2つのタスクを生成する
  • 各タスクはUARTへ文字列を送信する
  • 1秒ごとに vTaskDelay() で待つ
  • 優先度は同じにする

確認したいのは以下の3点です。

  1. vTaskStartScheduler() 後にFreeRTOSが正常に動くこと
  2. 複数のタスクが動作すること
  3. UARTに継続的にログが出ること

それではやっていきましょう！

PL（FPGA側）の設定

  • まずPLの設定をvivadoで行います
  • FPGA側の設定のポイントは「timer」を最低一つ追加することです
  • この設定が無いと、PS側のvitisのOS設定でFreeRTOSを選択できません
  • 詳しく見ていきます

block design にてzynq7 PSを追加

  • まずは従来通りにzynq7 PSを追加します。「Apply Board Preset」を使ってデフォルトの設定にします
  • これでzyboのハードに合わせた設定が一通り入ります
  • 自動でUART、GEM、SDカード、SPIフラッシュなどが使えるようになります

timerを有効にする

  • デフォルト設定では無効になっている、timerを有効にします
  • PS側で制御できるtimerの「TTC」を有効にします
  • USB1が割り当たっていましたが、使用しないのでTTCに変更します　
    　※2個有効にしていますが1個でもOKです

image.png

センサ接続用(IIC)を追加

  • データ取得用に追加します
  • IICインタフェースはPS側に追加することもできますが、他に使いたい機能と被っていたのでPLで設定します
  • AXI_IICを使用します。デフォルトではboard interfaceがHDMIになっているのでcustomに変更します

image.png

その他：ボード上のLED,SW,BTNを使用

  • ボード上にBTNが４つ、SWが４つあり、AXI_GPIOでアクセス出来るようにします
  • 割り込み端子としても設定します
  • またLEDも４つありますので、こちらも違うAXI_GPIOでアクセス出来るようにします

image.png

割り込み設定

  • SW,BTNの割り込みと、IICの割り込みをconcatで束ねてzynqのIRQ_F2Pに入力します
  • xlconcat は複数の割り込み信号を1本にまとめるための IP です。
    今回の構成では、SW/BTN の割り込みと AXI IIC の割り込みを xlconcat に入力し、まとめた信号を Zynq PS の IRQ_F2P へ接続しています。
  • これにより、PS は複数の割り込み要因を受け取ることができ、ソフトウェア側で発生元を判別して処理します。

image.png

  • zynqの設定でinterrupt Port でIRQ_F2Pを有効にします
  • 下のFIQは優先レベルの高い割り込みを使う場合に設定します
    image.png

PLの全体像

image.png

以上でPL側の設定は完了です

  • bitstreamを生成まで行ってください
  • XSAを作成して、vitisでplatformを作成します

{C6AA35C0-BE83-4BEB-A66E-416D962D2874}.png

  • include bitstream を選択
    {92766613-CA59-4093-9255-3B5F8C1B32B1}.png

  • わかりやすいように、作成したXSAはvitisフォルダにおきます
    {FFE1A788-5DF9-4BF3-A098-958F1F8E6DD2}.png

  • 次のvitisの作業では、このフォルダをworkspaceに設定します

PS側(vitis)の設定

workspace をsetする

VitisにおけるWorkspaceとはプロジェクト（プラットフォーム・アプリケーションなど）をまとめて管理する作業フォルダです。
Vitis起動時に指定するディレクトリで、その中にソースコード・設定情報・ビルド結果などが整理されて保存されます。

  • set workspace を行います
    {65C6830F-9BED-4744-AA8F-B9CE964C87BF}.png

  • XSAを保存したvitisフォルダを選択します
    {92A21781-5E85-4EF6-8541-6EC65D8D53F8}.png

  • update を聞かれますが、updateでOKです
    {85135065-4BF9-4A91-BC30-9E77DDF90A1C}.png

  • vitis componentsからplatformを選択します
    {0CC3A541-D324-4246-9102-7A946617A1B1}.png

  • 保存したXSAを選択します
    {A6688956-5F7D-497A-9DE8-43C98930A466}.png

  • operatingsystem:　が standalone(ベアメタル)になっていると思いますので、freertosへ変更します

{287D4904-E7E9-48B2-BBDD-EA8A65B12713}.png

  • finishで完了
  • platformをbuildします
  • 問題なくbuildに成功するはずです
    {C0A69978-24BB-4EC0-8D7C-6F4592AA1055}.png

application を作成する

Vitisにおけるapplicationは、実際にZynqのCPU上で動作するソフトウェア（プログラム）そのものです。
C/C++で記述され、コンパイル後は実行ファイル（.elf）として出力されます。

  • vitis componentsよりapplicationを選択する
    {8F97838A-ED53-4480-B0BA-2E15DEB9CA5F}.png

  • 先ほど作成したplatformを選択します
    {25B9B244-B8D9-403A-905C-3D55FAB87374}.png

  • finishまで進めます

  • Source直下のsrcにファイルを追加します
    {A337FB4B-A5FF-4819-B268-B2E98B0F66C7}.png

  • main.cという名前にします
    {4C98831D-A725-4354-9B5C-81645A252264}.png

  • 下記の「使用したコード」をコピペします

  • buildが通るはずです
    {5990FAAE-17D2-4287-B27B-DB0C307048C0}.png

  • コンパイル後は、ファイルオブジェクトがoutputにできています
    {AFB194BD-3AA6-4A68-9F24-E1791C2569C0}.png

使用したコード

  • 今回使ったコードは以下です。
  • task1 と task2 は、どちらも無限ループの中で xil_printf() を使って UART に文字列を送信しています。
  • その後、vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)) によって 1秒待機 します。
  • このため、UARTターミナル上ではそれぞれのタスクから、一定周期でメッセージが出力される動作になります。
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "xil_printf.h"

static void task1(void *pvParameters)
{
    (void)pvParameters;
    for (;;) {
        xil_printf("hello! zybo from task1\r\n");
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
    }
}

static void task2(void *pvParameters)
{
    (void)pvParameters;
    for (;;) {
        xil_printf("hello! zybo from task2\r\n");
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
    }
}

int main(void)
{
    xTaskCreate(task1, "Task1", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, tskIDLE_PRIORITY + 1, NULL);
    xTaskCreate(task2, "Task2", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, tskIDLE_PRIORITY + 1, NULL);
    vTaskStartScheduler();

    for (;;);
    return 0;
}

サービスコール紹介

  • RTOS(FreeRTOS)が提供するAPIをサービスコール(システムコール)と呼びます
  • 今回はtask関連の以下のAPIを使用しています

xTaskCreate

  • main() では xTaskCreate() を2回呼び出して、2つのタスクを生成しています。
  • タスク名は Task1 / Task2
  • スタックサイズは configMINIMAL_STACK_SIZE
  • 優先度はどちらも tskIDLE_PRIORITY + 1
  • どちらのタスクも同じ優先度にしているため、FreeRTOSのスケジューラによって順番に実行されます。

vTaskStartScheduler

  • vTaskStartScheduler() を呼ぶことで、FreeRTOSのスケジューラが開始されます。
  • ここまで正常に到達し、なおかつ必要なメモリや設定に問題がなければ、以後は各タスクが実行され続けます。

逆に、ここで動かない場合は以下を疑うことになります。

  • FreeRTOSの設定不備
  • ヒープ不足
  • タスク生成失敗
  • クロックやBSP設定の問題

書き込み

  • JTAGとZYBOを接続します
    image.png

  • app_component の　Debugを押すと書き込み開始です

  • ちなみにZYNQのmodeピンは「JTAG」モードにしておいてください
    {ADF1D16C-4809-4EBC-9059-2735D0391651}.png

出力結果

  • 両方のTASKから順番にメッセージが送られていることがわかります
    image.png

まとめ

  • 今回は Zybo Z7-20 上で FreeRTOS を動作させ、2つのタスクを生成して UART にメッセージを出力する最小構成を作成しました。

  • まずは FreeRTOS を利用するために PL 側で TTC Timer を有効化し、AXI IIC や GPIO、割り込み回路を含むハードウェア構成を作成しました。

  • その後、Vitis 上で FreeRTOS アプリケーションを作成し、タスク生成とスケジューラ起動を確認しました。

  • 実行結果からは、同じ優先度の2つのタスクが交互に実行され、UART に継続してメッセージが出力されることを確認できました。

  • これにより、FreeRTOS の基本的なタスク管理とスケジューリングが正常に動作していることが分かります。

  • 次回は今回準備した IIC や Ethernet の仕組みを活用し、BME280/AHT20 から取得したセンサデータを lwIP 経由で上位 PC へ送信する構成に発展させていきたいと思います。

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