Aufbau skalierbarer eingebetteter Systeme mit Zephyr RTOS und Plattformen von NXP Semiconductors

Eingebettete Systeme waren schon immer mit Kompromissen verbunden, und die Ingenieure mussten sich zwischen Performance und Stromverbrauch, Flexibilität und Determinismus oder schneller Markteinführung und langfristiger Wartbarkeit entscheiden. Im Großen und Ganzen waren diese Kompromisse vertretbar. Die Hardware war begrenzt, die Anforderungen waren gering, und ein Mikrocontroller konnte oft kaum mehr leisten, als einen Sensor auszulesen oder eine einfache Benutzeroberfläche zu steuern – häufig unter Verwendung einer einfachen Firmware, die direkt um einen einzelnen Regelkreis herum programmiert war.

Das ist nicht mehr der Fall. Moderne eingebettete Systeme sollen weit mehr können. IoT-Geräte, Controller für industrielle Automatisierung und Knoten für Edge-Computing müssen heute drahtlose Vernetzung, Sicherheitsstacks, Over-the-Air-Firmware-Updates und Multiprotokoll-Kommunikation gleichzeitig und zuverlässig unterstützen, und das oft auf ressourcenbeschränkten Mikrocontrollern mit knappem Energie- und Speicherbudget. Direkt programmierte Hardware lässt sich in dieser Umgebung nicht gut skalieren.

Wenn mehrere Funktionen gleichzeitig ausgeführt werden müssen, von denen jede unterschiedliche zeitliche Anforderungen und Prioritäten hat, wird ein sequenzieller Regelkreis schnell schwierig zu handhaben. Die Entwicklungsteams verbringen Wochen damit, benutzerdefinierte Scheduler zu schreiben, Treiber zu portieren und Integrationskonflikte auf niedriger Ebene zu lösen, nur damit das System zuverlässig funktioniert.

Ein eingebettetes Echtzeitbetriebssystem löst dieses Problem, indem es nebenläufige Aufgaben verwaltet, Prozessorzeit zuweist und garantiert, dass zeitkritische Operationen vorhersehbar ausgeführt werden. Für moderne eingebettete Systeme ist die Aufgabenplanung allein jedoch nicht ausreichend. Systementwickler benötigen Netzwerkstacks, Sicherheitsbibliotheken, Bluetooth-Unterstützung und umfassende Hardwarekompatibilität, die alle innerhalb eines einzigen Frameworks gewartet werden und produktionsbereit sind. Zephyr RTOS bietet genau dies.

Eine Grundlage für die Entwicklung eingebetteter Firmware

Zephyr ist ein Open-Source-basiertes Embedded-Echtzeit-Betriebssystem (RTOS), das von der Linux Foundation gehostet wird. Es unterstützt Plattformen, die von stromsparenden Cortex-M-Mikrocontrollern bis hin zu leistungsfähigeren Prozessoren der Edge-Klasse reichen, so dass ein und dasselbe Software-Framework für eine breite Palette von Embedded-Anwendungen eingesetzt werden kann.

Das System basiert auf einer modularen, Kconfig-gesteuerten Architektur, die es Entwicklern ermöglicht, nur die Subsysteme auszuwählen, die ihre Anwendung benötigt, wie z. B. Netzwerkstacks, Bluetooth Low Energy (BLE), USB-Geräteunterstützung, kryptografische Bibliotheken, Dateisysteme und Energieverwaltungsfunktionen. Alles, was nicht ausgewählt ist, wird bei der Kompilierung ausgeschlossen, so dass die Firmware mit der Anwendung mitwachsen kann, anstatt einen festen Betriebssystem-Footprint zu haben. Diese Flexibilität ist bei der Entwicklung von Firmware mit eingeschränkten Ressourcen von entscheidender Bedeutung.

Auf der Kernel-Ebene bietet Zephyr ein präemptives, prioritätsbasiertes Scheduling mit begrenzter Interrupt-Latenz und konfigurierbarer Tick-Auflösung. Dank dieses deterministischen Echtzeitverhaltens können zeitkritische Operationen wie Motorsteuerung, Sensorabtastung, industrielle Regelkreise und drahtlose Kommunikationsaufgaben auch in Multithreading-Umgebungen vorhersehbar ausgeführt werden.

Das Hardware-Abstraktionsmodell macht Peripheriegeräte wie GPIO, SPI, I2C und PWM über stabile APIs zugänglich, unabhängig vom zugrunde liegenden Chip. Durch die Verwendung von Board Support Packages (BSPs), die diese Schnittstellen auf spezifische Hardware abbilden, ermöglicht Zephyr den Entwicklern die Erstellung portabler Firmware, die plattformspezifische Registerkonfigurationen vermeidet und so den Aufwand für die Migration oder Skalierung von Embedded-System-Designs erheblich reduziert.

Neben dem Kernel enthält Zephyr produktionsreife Subsysteme für Bluetooth 5.x, IEEE 802.15.4, einen nativen TCP/IP-Stack, MQTT, CoAP, TLS über Mbed TLS und sicheres Booten über MCUboot. Diese Komponenten werden aktiv gewartet, auf echter Hardware getestet und sind in kommerziellen Produkten weit verbreitet, so dass die Entwickler den Software-Stack nicht selbst zusammenstellen und validieren müssen (Abbildung 1).

Abbildung 1: Das Zephyr-RTOS-Architekturdiagramm zeigt den gesamten Software-Stack von der Plattformschicht über den Kernel, die Betriebssystemdienste und die Anwendungsdienste bis hin zur Anwendungsschicht. (Bildquelle: NXP Semiconductors)

Zephyr bietet eine solide Softwaregrundlage für die moderne Embedded-Entwicklung. Die volle Entfaltung seiner Fähigkeiten in einem Produktionsdesign hängt jedoch auch vom Ökosystem der Hardware ab, auf der es läuft. Die BSPs eines Chipherstellers, die Peripherietreiber und die Ausrichtung der Toolchain bestimmen, wie vollständig die Fähigkeiten von Zephyr in funktionierende Firmware umgesetzt werden. Sind diese unvollständig oder unausgereift, treten die Integrationsprobleme erst spät im Entwicklungszyklus auf, wo sie am kostspieligsten zu beheben sind.

Die Bedeutung des Hardware-Ökosystems in eingebetteten Systemen

Die Lücke zwischen RTOS-Fähigkeit und Hardwarebereitschaft ist der Punkt, an dem die Stärke des zugrundeliegenden Chip-Ökosystems zu einer entscheidenden technischen Überlegung wird. NXP Semiconductors schließt diese Lücke mit der branchenführenden Zephyr-Unterstützung in seinem breiten Portfolio an Mikrocontrollern und Prozessoren.

Als eines der sechs Gründungsmitglieder des Zephyr-Projekts hat NXP Semiconductors dessen Architektur und Ausrichtung unter der Linux Foundation von Anfang an mitgestaltet. Dieses grundlegende Engagement spiegelt sich in der Tiefe, der Konsistenz und dem breiten Spektrum des heutigen Zephyr-Supports von NXP wider.

NXP bietet derzeit mehr als 40 Hardware-Plattformen mit Unterstützung für das Zephyr-Betriebssystem an, darunter stromsparende Wireless-MCUs, leistungsstarke Crossover-Prozessoren, sichere IoT-Endpunkte und automotive-taugliche Controller mit CAN-FD-Vernetzung. Die Unterstützung für die Zephyr-Boards wird für alle Plattformen beibehalten und auf die Fähigkeiten der einzelnen Plattformen abgestimmt, so dass die Entwicklungsteams Zugang zu einem konsistenten Software-Framework für die gesamte Palette der NXP-Hardware haben.

NXP Semiconductors erreicht diese Kompatibilität, indem es direkt zu den Kernsubsystemen von Zephyr RTOS, zur Upstream-Treiberentwicklung und zur Plattformbefähigung innerhalb der Mainline-Codebasis beiträgt und nicht in Form von herstellerspezifischen Forks oder Out-of-Tree-Patch-Sets. Der Hardware-Support von NXP Semiconductor bleibt mit jeder vierteljährlichen Zephyr-Version auf dem neuesten Stand und umfasst neue Netzwerkfunktionen, Verbesserungen des Sicherheits-Subsystems und Kernel-Updates. Folglich müssen Entwicklungsteams nicht auf ein separates SDK-Update des Herstellers warten, um auf neue Zephyr-Funktionen zugreifen zu können, da die Unterstützung für diese Funktionen bereits im Vorfeld vorhanden ist.

Die Werkzeuge von NXP vervollständigen diese Ausrichtung. MCUXpresso IDE, LinkServer und Visual Studio Code mit der MCUXpresso-Erweiterung sind alle mit dem west-basierten Build-System von Zephyr integriert und bieten Entwicklungsteams eine konsistente Umgebung vom ersten Start bis zur Produktion. J-Link Debug-Probe-Unterstützung mit SEGGER Ozone ermöglicht Thread-Aware-Debugging direkt in Zephyr-Anwendungen. Das Unternehmen bietet außerdem Einführungshandbücher, Laboranleitungen, Anwendungshinweise und Schulungsressourcen speziell für die Zephyr-Entwicklung auf seiner Hardware.

Für Teams, die Zephyr RTOS in der Produktion einsetzen, ist NXP Semiconductors Kombination aus Gründungsbeteiligung, breiter Hardware-Unterstützung, aktiven Upstream-Beiträgen und abgestimmtem Tooling eine starke, kohärente Hardware-Grundlage für zuverlässige Embedded-Systeme.

Von der Entwicklung zum Einsatz: Zephyr und NXP in der Praxis

Der praktische Wert der Kombination von Zephyr RTOS mit der Hardware von NXP Semiconductors zeigt sich am deutlichsten bei der Entwicklung und Implementierung von Firmware. Anstatt bei der Entwicklung von Embedded-Systemen große Teile des Software-Stacks manuell zusammenzustellen, können Entwickler mit dem Prototyping auf unterstützten NXP-Evaluierungsplattformen beginnen und dabei eine vorintegrierte Entwicklungsinfrastruktur nutzen, die auf die Zephyr-Workflows abgestimmt ist.

Für die meisten Projekte ist der natürliche Ausgangspunkt eine FRDM- oder EVK-Entwicklungsplattform von NXP. Das FRDM-MCXN947 (Abbildung 2) wird beispielsweise mit vollständiger Zephyr-BSP-Unterstützung geliefert. Ingenieure können das Board flashen, ein funktionierendes Beispiel ausführen und direkt mit der Erforschung von Peripheriekomponenten beginnen, ohne viel Aufwand betreiben zu müssen. Die Konfiguration der Peripherieelemente folgt dem Devicetree-Modell von Zephyr, bei dem die Hardwareeinstellungen deklarativ und nicht über plattformspezifische Registerkonfigurationen definiert werden.

Abbildung 2: Das Evaluierungsboard FRDM-MCXN947 für die Dual-Core-Cortex-M33-MCU MCX N947 von NXP mit integrierter MCU-Link-Debug-Sonde und vollständiger Zephyr-BSP-Unterstützung. (Bildquelle: NXP Semiconductors)

Das Hinzufügen einer Peripheriekomponente, wie z. B. eines SPI-Sensors oder eines CAN-Transceivers, wird zu einer Frage der Auswahl des geeigneten Treibers und der Aktualisierung eines Gerätebaum-Overlays, anstatt den Initialisierungscode von Grund auf zu schreiben. Die Implementierung von Netzwerken und Sicherheit folgt demselben Muster. BLE-Vernetzung, verschlüsselter Transport über Mbed TLS und OTA-Firmware-Updates über MCUboot sind alle als bestehende Zephyr-Subsysteme verfügbar und werden über Kconfig konfiguriert.

Das Ergebnis der Kombination von Zephyr RTOS mit der Hardware von NXP Semiconductors ist ein Entwicklungsworkflow, der Embedded-Teams schneller zu anwendungsreifer Firmware führt. Dieser Vorteil ist besonders wertvoll bei Anwendungen, bei denen Entwicklungszeiten, Zuverlässigkeit und Skalierbarkeit entscheidend sind, z. B:

• Industrielle Automatisierung: Industrielle Steuerungen und Feldbus-Gateways erfordern eine deterministische Zeitplanung, robuste CAN-Unterstützung und lange Produktlebenszyklen. Die Dual-Core-Architektur des MIMXRT1176CVM8A mit seinen Cortex-M7- und Cortex-M4-Kernen ermöglicht die Verwaltung von Echtzeit-Steuerschleifen und Kommunikationsaufgaben auf separaten Kernen, wobei das RTOS beide unabhängig voneinander zeitlich steuert.
• IoT-Geräte mit niedrigem Stromverbrauch: Diese Geräte profitieren direkt von der modularen Netzwerk- und Energieverwaltungsunterstützung von Zephyr. Die Entwicklungsplattform FRDM-MCXW71 von NXP Semiconductor für batteriebetriebene IoT-Endknoten integriert einen Cortex-M33-Anwendungskern mit drahtloser Multiprotokoll-Vernetzung, einschließlich BLE und Thread. Da es mit dem Zephyr-RTOS läuft, kann es mithilfe von „Tickless Idle“ und „Radio Duty Cycling“ ein Gleichgewicht zwischen Vernetzung und Akkulaufzeit herstellen. Die Energieverwaltungslogik befindet sich im RTOS, während die Anwendung das Sensorverhalten steuert.
• Edge-Computing: Der MIMXRT685SFVKB, der neben seinem Cortex-M33-Kern einen HiFi4-DSP und eine neuronale Verarbeitungseinheit Ethos-U55 integriert, unterstützt Anwendungen, die Echtzeit-Datenerfassung mit lokaler Inferenz kombinieren (Abbildung 3). Die Ausführung von TensorFlow Lite Micro auf Zephyr für diese Plattform ermöglicht Anwendungen wie die vorausschauende Wartung, ohne die Verarbeitung in die Cloud auszulagern.

Abbildung 3: Die Crossover-MCU MIMXRT685SFVKB kombiniert einen Arm-Cortex-M33-Kern mit einem Xtensa-HiFi4-DSP von Cadence. (Bildquelle: NXP Semiconductors)

Obwohl diese Anwendungen zu den häufigsten gehören, eignet sich die Kombination aus dem Zephyr RTOS und dem Halbleiter-Ökosystem von NXP für alle Embedded-Anwendungen, die Performance und Zuverlässigkeit erfordern.

Fazit

Da eingebettete Systeme immer anspruchsvoller werden, sind die Software- und Hardwaregrundlagen, auf denen sie laufen, immer wichtiger. Zephyr RTOS bietet das modulare, skalierbare Software-Framework, das die moderne Embedded-Firmware-Entwicklung erfordert. Als Gründungsmitglied des Zephyr-Projekts mit umfassender Hardware-Unterstützung, vorgelagerten Beiträgen und abgestimmten Werkzeugen setzt NXP Semiconductors diesen Rahmen in eine einsatzfähige, produktionsreife Plattform um.