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@jp-96

【Docker対応】VS Code + Zephyr RTOS + micro:bit 開発環境構築ガイド

Posted at

はじめに

Windows 11 + WSL2 + Docker 環境の Visual Studio Code (以下、VS Code) で、 Zephyr RTOS を使った micro:bit v1/v2 向けのアプリケーションを開発するためのセットアップガイドです。
usbipd-win を通じて USB デバイス（micro:bit）を Docker Desktop の WSL2コンテナ に接続でき、CMSIS-DAP を使った フラッシュ や デバッグ にも対応しています。

過去の記事では、Windows上に開発環境を構築しましたが、今回の記事では、Docker Desktop fow Windows を用いたコンテナ化された開発環境を紹介しています。
USBデバイスの認識は、usbipd-winを利用しています。

過去の記事

Zephyr RTOS を micro:bit で学ぶ

この開発環境は、リアルタイムOSの学習に最適です。
低価格で入手可能な micro:bit を使って、RTOSの概念を実践的に体験できます：

  • スレッド管理
  • スケジューリング
  • ハードウェア抽象化レイヤー（HAL）
  • デバイスツリーと Kconfig

しかも、すべてが コンテナ化された開発環境で動作するため、ホスト環境(Windows11)に依存せず再現性も高く、初心者から上級者まで快適に使える構成です。

対象環境

コンポーネント 内容
RTOS Zephyr RTOS
対応ボード bbc_microbit（v1）、bbc_microbit_v2（v2）
OS Windows 11 + WSL2
IDE VS Code (Visual Studio Code)
コンテナランタイム Docker Desktop for Windows
USB ブリッジ usbipd-win
デバッグプローブ CMSIS-DAP（micro:bit内蔵）

micro:bitには、DAPLinkというソフトウエアがあらかじめ書き込まれています。
これをファームウェアと呼んでおり、USB接続するとUSBストレージとして認識されるようになっています。
DAPLinkには、USBストレージだけでなく、シリアル通信やCMSIS-DAP、WebUSBといった機能も含まれています。

DAPLinkとUSBインターフェース

セットアップ手順

1. 必要なツールのインストール（Windows側）

Windows11上で、次のツールをインストールします。

2. プロジェクトの取得方法

次の GitHub リポジトリを使って、開発環境をすぐに構築できます。

🔗 https://github.com/jp-rad/vscode-zephyr-ubit

プロジェクトを VS Code で開き、Dev Container に接続することで、すぐに開発を開始できます。

方法１：リポジトリをクローンする

git clone https://github.com/jp-rad/vscode-zephyr-ubit.git
cd vscode-zephyr-ubit

方法２：テンプレートとして新規プロジェクトを作成する

GitHubの jp-rad/vscode-zephyr-ubit 内で、「Use this template」ボタンをクリックし、自分のリポジトリとしてプロジェクトを生成し、それをクローンします。

おすすめ
方法２なら、オリジナルの履歴を持たずにクリーンな状態で始められ、自分のプロジェクトとして管理できます。

開発手順

VS Codeでコンテナを開く

VS Codeで、プロジェクトを開き、Reopen in Containerで、コンテナを開きます。
初回は、Dockerfileのビルドが実行されます。

「すぐに開発を開始できます」と書きましたが、/home/vscodeフォルダだけでも、9.1Gのファイルが構築されますので、Dockerfileのビルドが完了するのを気長にお待ちください。

コマンド
du -sh /home/vscode
確認結果
vscode ➜ ~ $ du -sh /home/vscode
9.1G    /home/vscode

サンプルプログラムのビルド

プロジェクトには、micro:bitディスプレイのデモンストレーション・サンプルコードが含まれていますので、VS Codeのメニューから次の手順で、ビルドを実行します。

Terminal → Run Build Task… → Generate micro:bit universal hex

ビルドに成功すると、３つのHEXファイルがプロジェクトのルートフォルダに生成されます。
このHEXファイルをUSB接続したmicro:bitのUSBストレージにコピーするとmicro:bit本体で実行されます。

  • microbit-v1.hex - v1専用
  • microbit-v2.hex - v2専用
  • microbit-universal.hex - v1/v2両用

デバッグ手順（CMSIS-DAP）

CMSIS-DAP経由で、フラッシュ（書き込み）やデバッグを実行することができます。

CMSIS-DAP接続に失敗する場合
CMSIS-DAP接続に失敗する場合、micro:bitへのフラッシュやデバッグができません。micro:bit firmwareのページを参照し、ファームウェアの更新を試みてください。

ファームウェア（firmware）

USB デバイスのバインド（Windows側）

  1. micro:bit を USB 接続
  2. 管理者権限でコマンドプロンプトを開く
  3. コマンドusbipd listでデバイスを確認
  4. VID:PID = 0d28:0204 の micro:bit を探し、BUSID を取得
  5. コマンドusbipd bind --busid <BUSID>でバインド

コマンドプロンプトは、「管理者として実行」で開いてください。

(管理者)
usbipd list
(管理者)
usbipd bind --busid <BUSID>

<BUSID>は、usbipd listで探したBUSIDに置き換えてください。

USB デバイスのアタッチ（Windows側）

micro:bitをUSB接続するたびに、WSL2 に対してデバイスをアタッチする必要があります。
Windows 側でバッチファイルmicrobit_attach.batを実行してください。

microbit_attach.bat

これにより、CMSIS-DAP 経由で WSL2 コンテナから micro:bit にアクセス可能となります。

開発環境(Docker) → WSL2コンテナ → Windows OS → USB接続 → micro:bit

micro:bitをUSB接続するたびに、microbit_attach.batを実行し、USBデバイスをアタッチしてください。
尚、USBバインドは、一度実行するだけでよく、Windowsを再起動しても、バインドされたままの状態になります。

ビルドとフラッシュ

VS Codeのメニューから次の手順で、ビルド（コンパイル）とフラッシュ（書き込み）を一括実行できます。

Terminal → Run Build Task… → Build and Flash

microbit-toolchain.shが、接続されているmicro:bitのv1/v2を自動選択し、 west build / west flash を実行します。

デバッグ（GDB）

VS Code のデバッグビューから、(GDB) micro:bitを選択し、開始ボタンでデバッグを開始します。

Run and Debug（Ctrl + Shift + D）→ (GDB) micro:bit

ブレークポイントの設定やステップ実行が可能です。

構成ファイルの説明

Dockerfile の構成

このプロジェクトの Dockerfile は、Zephyr SDK と micro:bit 開発に必要なツールをすべて含んだ Dev Container を構築します。

主なポイント：

  • Python ベースの Dev Container イメージを使用
  • Zephyr SDK の依存パッケージをインストール
  • west による Zephyr プロジェクトの初期化
  • CMake のバージョン固定インストール（例：4.0.3）
  • Zephyr のマニフェスト・リビジョン固定インストール（例：v4.1.0）
  • Node.js + microbit-universal-hex の導入
  • WSL2 で USB デバイスにアクセスするための usbutils の導入
（抜粋）マニフェスト・リビジョンの固定
RUN west init --mr ${MANIFEST_REVISION} && west update && west zephyr-export

docker-compose.yml の構成

  • バージョン固定
    Python（VARIANT）、CMake（CMAKE_VERSION）、Zephyr（MANIFEST_REVISION）を引数で指定

  • USB デバイスアクセス対応
    /dev/bus/usb をマウントし、privileged: true により CMSIS-DAP 経由のフラッシュとデバッグに対応

docker-compose.yml

version: '2'
services:
  dev:
    image: "zephyr-ubit:v4.1.0"
    build:
      context: "."
      dockerfile: ./dev/Dockerfile
      args:
        VARIANT: "3.13"
        CMAKE_VERSION: "4.0.3"
        MANIFEST_REVISION: "v4.1.0"
    volumes:
      - ..:/home/vscode/zephyr/dev/zephyrproject:cached
      - ./dev/.vscode:/home/vscode/zephyr/dev/.vscode:cached
      - /dev/bus/usb:/dev/bus/usb
    devices:
      - /dev/bus/usb:/dev/bus/usb
    privileged: true
    tty: true
    command: bash

USBデバイスのマウント
/dev/bus/usb:/dev/bus/usbの指定は、volumesとdevicesの両方に行います。
また、privileged: trueが必要です。

VS Code Dev Container の構成（devcontainer.json）

  • docker-compose.yml の dev サービスに接続
  • Zephyr 開発に必要な拡張機能を自動インストール
  • ワークスペースは /home/vscode/zephyr/dev に固定
devcontainer.json
{
	"name": "development",
	"dockerComposeFile": [
		"docker-compose.yml"
	],
	"service": "dev",
	"workspaceFolder": "/home/vscode/zephyr/dev",
	"customizations": {
		"vscode": {
			"settings": {
			},
			"extensions": [
				"ms-vscode.cpptools-extension-pack"
			]
		}
	},
	"remoteUser": "vscode"
}

microbit-toolchain.sh の解説

コンテナ化された開発環境には、scripts/microbit-toolchain.shスクリプトが含まれており、3つの操作を統合しています：

  • build: Zephyr アプリケーションのビルド
  • flash: CMSIS-DAP 経由で micro:bit に書き込み
  • debugserver: GDB デバッグサーバーの起動

USB 権限の設定

Windows上でバインド、アタッチされたUSBデバイスにアクセスするため、開発環境のvscodeユーザーに権限を設定します。

lsusb → /dev/bus/usb → chmod 666

ボードの自動判定

USB 接続された micro:bit を pyocd で判定し、v1/v2 を自動選択します。

pyocd list | grep "nrf51" → bbc_microbit  
pyocd list | grep "nrf52" → bbc_microbit_v2

VS Code タスク定義（tasks.json）

個別ビルドタスク

v1/v2 向けに個別ビルドタスクを定義。

{
  "label": "(internal) build bbc_microbit",
  "command": "scripts/microbit-toolchain.sh",
  "args": ["build", "bbc_microbit"]
}

HEX ファイルの統合

v1/v2 の HEX を統合し、microbit-universal.hex を生成します。

{
  "label": "Generate micro:bit universal hex",
  "dependsOn": [
    "(internal) build bbc_microbit",
    "(internal) copy bbc_microbit.hex",
    "(internal) build bbc_microbit_v2",
    "(internal) copy bbc_microbit_v2.hex",
    "(internal) micro:bit universal hex"
  ]
}

ビルド・フラッシュタスク

ボードを自動判定し、ビルドとフラッシュを一括実行します。

{
  "label": "Build and Flash",
  "dependsOn": ["(internal) build", "(internal) flash"]
}

おわりに

このセットアップにより、Windows + WSL2 + Docker + VS Code というコンテナ化された開発環境で、Zephyr RTOS を使ったmicro:bitアプリケーションの開発が簡単に始められます。
CMSIS-DAP によるデバッグや universal HEX の生成もスクリプト化されており、初心者から上級者まで快適に使える構成です。

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