Zephyr OS 基础篇： 系统简介

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本文主要介绍 Zephyr OS 的基本知识，带你进入 Zephyr 的世界，主要内容：

火热的物联网

Zephyr OS 简介

Zephyr OS 架构

Zephyr OS 内核

Zephyr OS 的特征

Zephyr OS 源码结构

学习资料

火热的物联网

话说，人类再也无法阻挡人工智能和物联网的发展趋势了，google, intel, cisco, TI, IBM, 苹果, 微软, 三星, 华为, 阿里, 百度… 大型科技公司都瞄准了物联网，准备分享这上万亿美元的大蛋糕。甚至连日本的软银也盯上物联网了(前几天的新闻，软银卖掉了阿里巴巴等若干公司的股份，以 320 亿美元的价格把 ARM 公司给收购了，OMG)。

物联网的架构主要分为三层：

- 感知层：采集周围环境数据的嵌入式设备

- 网络层：用于传输感知层采集的数据的网络，比如因特网、3G/4G网络，甚至将来的5G网络等

- 应用层：处理数据，即数据分析、处理

Zephyr OS 就是运行在感知层的嵌入式设备之上的操作系统。

Zephyr OS 简介

Zephyr 是一个用于物联网的开源操作系统，受到 Linux 基金会支持（参考 这里），在今年二月份刚发布 1.0 版本，目前开发到 1.4 版本。Zephyr 的目标非常远大，即一统物联网操作系统。

Zephyr 目前还处于初期阶段，项目开发非常活跃，代码托管在 Linux 基金会自己搭建的 Girret 服务器上，而不是在 Github 上。Girret 相比 Github 的一个好处是它能很方便地进行代码检查，但熟悉 Girret 的人不多，因此增加了学习成本。也正是由于它还是在初期阶段，所以我对它充满了期望。这是机遇呀！！

Zephyr OS 架构

图 1 从系统的角度展示了 Zephyr OS 的架构：

- 最下层是硬件设备。

- 在硬件设备之上是 Zephyr 的内核，包括 nanokernle 和 microkernel 两种内核。

- 内核之上是设备驱动。由于物联网设备具有低功耗要求，Zephyr 单独将电源管理抽取出来了。

- 设备驱动之上是设备管理器、网络层、应用层、C 库和三方库。



图 1. Zephyr OS 架构

图 2 从网络互联的角度展示了 Zephyr OS 的架构：

- 最底层是网络接口层(具体而言包括物理层和数据链路层)，支持 IEEE 802.15.4、Bluetooth 4.0(低功耗蓝牙)、WiFi、NFC(近距离无线通信)和 3GPP(3G网络)。

- 网络接口层之上是网络层，包括 6LoWPAN 适配层、IPv4/IPv6、Thread 协议。

- 网络层之上是传输层，支持 TCP 和 UDP。

- 传输层之上是应用层，包含各种适用于物联网的应用层协议。



图 2. Zephyr OS 网络架构

Zephyr OS 内核

Zephyr 的中文翻译是“和风；西风；轻薄织物”，由此可以看出 zephyr 是一个轻量级的操作系统。事实上，它提供了两种内核：微内核 microkernel 和超微内核 nanokernel，用户可以在编译时通过配置文件配置使用哪种内核：同时使用微内核和超微内核，或者只使用超微内核(参考图 1)。

超微内核具有内核的一系列基础特征，是一个高性能、多线程的执行环境。超微内核适用于内存很少（最少为 2KB）的系统或者简单的多线程系统（比如只有一些列中断处理和单后台 task）。这样的系统主要包括：嵌入式传感器 hub、传感器、简单 LED 可穿戴设备以及商店库存的标签。

微内核比超微内核的功能更加丰富。超微内核适用于这样的系统：内存更多（50 ~ 900 KB）、多通信设备（比如WIFI、低功耗蓝牙）、多 task。这样的系统主要包括：可穿戴设备、智能手表、物联网无线网关。

Zephyr OS 的特征

Zephyr 内核是一个微型内核，被设计用于资源受限的系统：从简单的嵌入式传感器、可穿戴 LED，到复杂的智能手表、物联网无线网关。

Zephyr 支持多架构，包括：ARM Cortex-M、Intel x86 和 ARC。在 这里 可以查看 Zephyr 支持的所有平台。

与其它微型内核相比，Zephyr 内核有很多独特的优秀特性：

单地址空间操作系统。将应用程序相关的代码与内核结合在一起，创建一个在硬件上加载、运行的单一镜像。应用程序代码和内核代码运行在同一个共享地址空间。

高度可配置。允许应用程序只包含它们需要的功能。

编译时定义资源。所有系统资源都在编译时定义，以减小代码量、增强代码性能。

最小错误检查。提供最小化的运行时错误检查，以减小代码量、增强代码性能。提供一个可选的错误检查基础，以协助应用程序的开发和调试。

广泛的服务。提供了许多耳熟能详的服务：

多线程服务：为基于优先级的、非抢占式的 fiber 和基于优先级的、抢占式的 task 提供可选的时间片。

中断服务：在编译时、运行时均可注册中断处理函数。

线程间同步服务：包括二元信号量、计数信号量和互斥信号量。

线程间数据传递服务：包括基本消息队列、增强型消息队列和字节流。

内存分配服务：动态地分配固定尺寸、可变尺寸的内存块。

电源管理服务：包括无滴答 CPU 空转和高级 CPU 空转。

Zephyr OS 源码结构

Zephyr 源码树的顶层目录如下所述，每个顶层目录都包括一级或多级子目录。

arch: 架构相关的超微内核代码和平台代码。Zephyr 支持的每个架构都有一个子目录，且这些子目录还包括下面子目录：

架构相关的超微内核源文件。

架构相关的超微内核的私有 API 的头文件。

平台相关的代码。

boards: board 相关的代码和配置文件。

doc: Zephyr 文档相关的材料和工具。

drivers: 设备驱动代码。

include: 所有（不包括

lib

目录）公有 API 的头文件。

kernel: 微内核代码，以及架构无关的超微内核代码。

lib: 库代码，包括最小的 C 库。

misc: 杂项代码。

net: 网络相关的代码，包括蓝牙协议栈和网络协议栈。

samples: 微内核、超微内核、蓝牙协议栈和网络协议栈的应用程序举例。

tests: 内核各个特性的测试代码。

scripts: 用于编译、测试 Zephyr 应用程序的程序和文件。

学习资料

Zephyr Project 官网

Zephyr OS 文档

Zephyr OS 源码

　　源码是最好的学习资料，这是毋容置疑的。

　　获取源码：

git clone https://gerrit.zephyrproject.org/r/zephyr[/code] 
一些 PPT

Zephyr Project Security - OIS_2016_Updated

Zephyr Overview - OpenIOT Summit 2016