新一代物联网操作系统Zephyr介绍

　　头条创作挑战赛头号周刊
　　起源
　　相对于其他常见的嵌入式软件平台，Zephyr的历史并不长，最初起源于风河公司（Windriver）面向物联网设备的操作系系统Rocket。
　　2016年2月由Intel，Synopsys，NXP等几家公司发起，创立了面向物联网时代的新一代嵌入式软件平台Zephyr，并由Linux基金会管理。Zephyr的中文意思为微风，从名字可以看出，Zephyr并不算成为一个像通用OS如Linux那样的重型平台，而是主打轻量级。Zephyr旨在成为物联网时代资源有限的中小型设备的最好的开源软件平台，同时十分强调安全（包括信息安全与功能安全）设计。Zephyr和Linux同属Linux基金会，可以有效地和Linux形成互补，可以用在因为Linux过大过重而不适合使用的场合，例如基于微控制器的应用、有硬实时要求的应用等等。一个比较形象的说法是，Zephyr希望成为一个针对微控制器的Linux。由于Zephyr的代码组织与开发流程与Linux十分类似，熟悉Linux内核开发流程的开发者可以方便地上手Zephyr开发。
　　Zephyr的几家创立公司在芯片领域、嵌入式领域都有十分雄厚的实力，都拥有自己的比较成熟的平台，那么为什么仍然要合作从新创立一个新的平台呢？其主要目的在于创建一个大家都可以参与的良好生态。物联网时代的快速发展对嵌入式软件提出了更高的要求，虽然嵌入式软件的一个特点就是碎片化，但整体上正向复杂化、平台化的方向发展，这是信息化、数字化不断向底层、向终端延伸的结果，其趋势可以从第一波PC时代和第二波移动互联网时代可以看出。
　　嵌入式软件正从春秋时代迈入战国时代，在不同的具体应用领域或逐渐出现对应的一个或几个平台，一个很好的例子便是汽车电子应用中AUTOSAR平台。在此背景之下，一方面由某个公司开发维护一个专属的平台，其意义、投入产出比等都需要仔细斟酌，特别是对于非巨头公司；另一方面，一些由个人或者机构开发的简单平台如果不跟上趋势，也会逐渐消亡。主要特点
　　在物联网发展的热潮下，一方面涌现了许多新的嵌入式软件平台，如ARMMbed、AliosThings、HuaweiLiteOS等，另一方面很多传统的平台在获得投资或被收购后也在不断强化和升级以应对物联网时代的要求，如AmazonFreeRTOS、RTThread、uCriumOS等。在强手如林的情况下，Zephyr有其独到之处，主要可以归结为以下几点：开源
　　开源是形成良好生态的前提，Zephyr的代码、文档和工具等绝大部分资料都开源托管在github上。虽然很多平台都选择了开放源代码，但Zephyr的开源和开发体现在细节之上。从Zephyr的代码仓库（repo）中，可以看到详尽的开发活动记录，包括代码提交、bugissue列表、讨论记录、测试记录与结果、发布计划、路线图等等。Zephyr中目前没有直接开源的部分很少，只限于最新的蓝牙协议栈实现、安全相关的内容等。除github上相关内容，用户还可以从zephyr的官方网站、邮件列表，社交平台（discord）等多个途径获得有效的信息。活跃的社区
　　Zephyr成立至今发展迅速，不断有新的机构加入成为会员，不断有新的开发者和用户使用并贡献代码，已经形成了一个相当活跃的社区。截至2022年2月21日，根据github上的统计数据，Zephyr的有效代码提交者为1141名，总提交数为60545次，在所有GitHub上类似平台中排名第一。而这个两个数据中，相当大一部分来自Zephyr会员机构的专业开发人员，极大地保证了Zephyr的质量。同时对zephyr官方网站的访问、开发者在线会议和邮件列表及Discord上的讨论也是非常活跃。依托于活跃的社区，Zephyr每三四个月就会有一次正式发布，为支持产品级的开发每两年会有一次长期支持版的（LTS，LongTermSupport）的发布。安全导向的设计
　　安全作为物联网时代的热点之一，Zephyr从设计之初把就把安全融入了进来。
　　首先Zephyr对安全之基的质量保证（QA，QualityAssurance）非常重视，建立了一套完善的质量保证体系，应用测试驱动开发（TestDrivenDevelopment）理论，为集成测试和单元测试提供了易用的测试框架和执行脚本。
　　除了功能代码之外，构建了大量的开源测试用例，并充分利用github的基础设施以及多种持续集成（ContinuousIntegration）工具构建了一个自动化的流程，涵盖了代码风格检查、代码静态检查、单元测试、集成测试和文档生成等多方面；
　　其次，Zephyr在运行时（runtime）上依托硬件上各种保护机制，实现了类似Linux的用户态内核态隔离、堆栈溢出检测和可信执行环境（TEE）等功能，可以有效地实现任务隔离、数据保护等功能，这一点在众多平台中是少有的；
　　第三，在信息安全（CyberSecurity）方面集成了两种框架mbedtls和tinycrypt（适用于无动态内存分配的应用），可以对通信和数据进行加解密，并有密码学驱动框架方便集成各类硬件加速单元，；
　　第四，在功能安全方面（FunctionalSafety），Zephyr正在紧锣密鼓地筹备通过相关认证，包括代码上应用MISRAC2012标准，核心部件符合IEC61508标准，这对于诸如汽车电子、工业控制、医疗设备等领域内的应用是十分必要的。跨平台
　　不可否认的是，当前基于ARM架构的微控制器在嵌入式应用中占据了主流，ARMmbed也是一个相当不错的新一代物联网软件平台，但如其名所示，其只支持ARM架构。Zephyr则是一个跨平台的物联网软件平台，支持多种处理器架构，包括x86、ARM、ARC、Tensilca以及最近发展迅速的RISCV（SiFive公司已经成为了Zephyr的会员），支持350以上的开发板。Zephyr在设计上充分考虑了硬件的抽象性，使得其具有良好的可移植性，未来会支持越来越多的处理器架构和开发板。在开发方式上，Zephyr支持在LinuxUnix、Windows和MacOS下开发。中立
　　虽然Zephyr是由Intel、Synopsys、NXP等大公司共同发起，特别是Intel，投入了大量的资源、贡献了大量的代码，但Zephyr是一个中立的平台，不属于任何一家公司，其托管在Linux基金会下，实行会员制，每一个会员乃至每一个普通开发者都可以合理地表达自己的意见，参与决策，重大事项由会员通过投票决定。中立是各个利益相关方的最大公约数，避免了平台过多的受某个公司的处于商业利益上的影响，才可能吸引广泛的参与，构建一个良好的生态。Linux的成功就是一个明证。宽松的许可证
　　Zephyr采用Apache2。0许可证，Apache2。0许可证是一种商业友好的许可。用户可以把Zephyr用于商业目的而无需开放源码。在具体实践中，除Zephyr自身代码外，对于外部集成模块，Zephyr也十分注意，尽可能选择Apache2。0许可证兼容的模块，避免许可证污染。完整的软件平台
　　对于立志成为微控制器Linux的Zephyr，在注重轻量级的同时，也是一个非常完整的软件平台，是一个一站式的解决方案。Zephyr包含了操作系统内核、设备驱动、蓝牙协议栈、网络协议栈、测试框架、文件系统框架等众多组件。借鉴了Linux内核的成功经验（kconfig和devicetree），Zephyr内的组件以及组件内的功能是高度模块化、灵活、可配置的。在开发工具方面，zephyr提供并定期发布ZephyrSDK以提供标准的开发环境。Zephyr还支持以模块（module）的形式集成第三方的库、框架或者硬件驱动等。支持产品级的开发
　　一些Zephyr所面向的应用如工业控制、仪器仪表、汽车电子往往生命周期比较长，对于可靠性、稳定性、可维护性等提出了更高的要求，为此Zephyr推出了长期支持版LTS以满足此类应用，LTS的发布周期为2年，为保证稳定在一个LTS周期之内，不会引入新的特性、API的变化，但会持续进行安全更新、漏洞修复，另外相对于正常版本，LTS版会经过更多更广泛的测试。通过认证
　　Zephyr会尝试通过一系列的认证，如功能安全认证（FuSa），蓝牙协议栈认证等等。这些认证可以大大减轻开发者和用户在这方面工作，增强使用Zephyr的信心。目前Zephyr已经通过了ARMPSALevel1的认证。在LTS版本之上，Zephyr还会进一步提供通过相关认证可审计（Auditable）的版本，可以应用于汽车电子等要求高可靠、高稳定的场合。系统框架
　　Zephyr的整体的框架如下图所示，大体可以分成三大部分：
　　内核
　　Zephyr的内核是一个实时内核，包含了实时内核所应有的绝大部分功能，在此概要列举如下：
　　任务调度。支持基于优先级的可剥夺（Preemptive）和协作（Cooperative）调度，支持基于时间分片（Timeslicing）的轮询调度（Roundrobin），支持EarliestDeadlineFirst（EDF）调度算法，可选三种任务就绪队列的实现以满足不同应用需求：简单的单级队列，传统的多级队列，基于红黑树的队列。
　　任务间同步。支持二进制信号量（Binarysemaphore），普通信号量（Countingsemaphore）互斥量（Mutex）和快速用户态互斥量（Futex）。任务间数据传输。支持基本数据队列，增强数据队列和邮箱，支持工作队列（workqueue）内存分配。所有内核资源编译时静态分配，支持基于可变和固定长内存池的动态内存分配和释放。
　　内核扩展。支持内核Tickless和功耗管理，支持内存保护、堆栈溢出检测和用户内核态，支持同构多核SMP和异构多核AMP，支持POSIXAPI（PSE51和PSE52）同时支持在符合POSIXAPI上的OS上，例如Linux，作为应用运行。内核服务
　　构建在内核之上，Zephyr包含了大量的内核服务，在此列举其中比较重要的服务：
　　设备驱动框架。如Linux内核一样，Zephyr中有一个比较完善的设备驱动框架，包含了大量的各式各样的设备驱动，驱动实现上借鉴了Linux设备驱动的成功经验，并采用了设备树（Devicetree）和Kconfig进行管理和配置，从而可以简化设备驱动的开发和使用。
　　网络协议栈。在物联网时代，互联互通是重中之重，为此Zephyr并没有选择移植一个嵌入式网络协议栈，而是从头开始设计实现。Zephyr的网络协议栈同时支持IPv4和IPv6协议，支持多个网络接口，支持多种L2连接方式如ethernet、802。15。4、蓝牙、802。11，CAN等，这使得在IPv6协议下可以统一不同的底层连接方式，支持SAL（SocketAbstractLayer）可以集成不同网络协议栈的实现，例如集成外部WiFi、5G、NBIoT模块。在应用协议上，Zephyr支持MQTT、COAP和LWM2M等新一代物联网应用协议。蓝牙协议栈。Zephyr的蓝牙协议栈是少数几个完整的开源实现，支持蓝牙5。1标准，支持蓝牙Mesh协议。Zephyr与蓝牙技术联盟（BluetoothSIG）有着良好合作，蓝牙技术联盟推荐Zephyr的蓝牙协议栈作为新一代蓝牙标准的参考实现之一。应用服务
　　在内核服务之上，Zephyr也包含了大量的应用层服务和参考例程，可以大大加速应用的开发，例如信息安全库ARMMBEDTLS，图形库littlevgl、新一代物联网协议、和不同云平台的连接支持等等。Zephyr支持以模块（module）的形式集成第三方代码，进一步扩展了Zephyr的生态。治理模型
　　作为一个中立的平台，Zephyr托管在Linux基金会下，其运营由会员公司的会费支持，并且技术导向与管理是分开，其治理模型如下图所示，可以分为三大部分：
　　理事会（GoverningBoard）
　　Zephyr理事会由Linux基金会代表、各会员机构代表和技术委员会的代表共同组成，主要负责项目目标与战略的制订，商务、市场和法务上的决策，投资和预算的监管，为技术委员会提供指导，会员需求的协调等事务。理事会定期召开会议，处理相关事务。Zephyr会员分为付费的白金（Platinum）、银牌（Sliver）和免费的伙伴（Associate）三级，不同级别的会员每年的会费不一样所享受的权力也不一样。技术委员会（TechnicalSteeringCommit）
　　技术委员会是Zephyr的主要执行结构，由各会员机构代表、内核与子系统维护者、开发工具维护者、安全框架维护者和各处理器架构维护者组成，涵盖了Zephyr代码的方方面面。技术委员会是Zephyr的最高技术决策机构，通过投票的形式做出各种技术上的决策。在具体工作上，技术委员会负责技术方向、路线图的制订，协调各种开发活动，协调和外部项目的合作，负责组织发布。技术委员会下设多个工作组负责协调特定领域的开发活动，如API、安全、工具等。技术委员会及其下属各工作组会定期举行线上开放会议处理技术相关事务。社区（Community）
　　社区是整个Zephyr的基础，由Zephyr的开发者和用户组成。社区在技术委员会的指导之下，进行开发活动。Zephyr各模块的维护者会审阅开发者和用户所提交的各种相关代码、文档、bug报告等等，并提供意见。具体细节可以从Zephyr的Pullrequest列表和Issue列表查看。Zephyr构建了MaintainerCollaboratorContributor三级开发者体系，以指导和管理开发活动。开发者可以依据自身贡献成为相应模块的维护者，进而加入技术委员会发挥更积极的作用。