說起來RTOS，第一印象就是單片機(jī)程序、ARM M核、微控制器低頻運(yùn)行處理程序，甚至其不能算一個(gè)真正的OS。但是隨著時(shí)代發(fā)展，這些單片機(jī)程序在有限的硬件機(jī)制下非常接近像Linux這種的巨無霸O(shè)S了，例如其有線程、中斷、內(nèi)存管理、IPC、驅(qū)動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、shell、提供POSIX接口等，可以說其已經(jīng)是一個(gè)縮小版的OS了，甚至在A核也可以運(yùn)行，簡單修改下添加一點(diǎn)用戶空間支持等特性就可以。

在嵌入式領(lǐng)域中，定制化的軟硬件，并且沒有界面展示的時(shí)候，并不需要ARM A核這種高級(jí)的CPU，M核是一個(gè)更好的選擇，其便宜，小，省電，可靠性高，偏向?qū)Ｓ每刂?/strong>，但是頻率低，功能進(jìn)行了閹割。在其上運(yùn)行的RTOS也有對(duì)應(yīng)的特點(diǎn)：

Zephyr它不僅僅維護(hù)了一個(gè)RTOS內(nèi)核，還維護(hù)一些編譯鏈、libc、 IDE插件、HEL層驅(qū)動(dòng)等，幾乎每一個(gè)模塊都有相關(guān)的文檔。正是因?yàn)閾碛?strong>詳細(xì)的文檔，Zephyr才能源源不斷的吸引人來進(jìn)行嘗試與開發(fā)，以至于系統(tǒng)不斷的被完善，進(jìn)入開源項(xiàng)目的一個(gè)良性循環(huán)。

Linux基金會(huì)維護(hù)

所以看Zephyr就很Linux里L(fēng)inux氣的，比如make menuconfig支持、DTS支持等，可以說把Linux一些優(yōu)秀的通用特性吸引進(jìn)來了，做到了很多代碼跟Linux同步，妥妥的Linux小弟。好處就是我們?nèi)コa的時(shí)候，不，是移植代碼的時(shí)候Zephyr就是一個(gè)很好的調(diào)研對(duì)象，其完全開源嘛！

Wind River公司

大名鼎鼎的VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)就是Wind River公司開發(fā)的，其在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)領(lǐng)域早期可謂獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，特別在軍工中，它以其良好的可靠性和實(shí)時(shí)性被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域中，如衛(wèi)星通訊、軍事演習(xí)、彈道制導(dǎo)、飛機(jī)導(dǎo)航等。在美國的 F-16、FA-18戰(zhàn)斗機(jī)、B-2 隱形轟炸機(jī)和愛國者導(dǎo)彈上，甚至連1997年4月在火星表面登陸的火星探測器、2008年5月登陸的鳳凰號(hào)，和2012年8月登陸的好奇號(hào)也都使用到了VxWorks。VxWorks不開源，這里的Zephyr可以說是出身在一流家族中，其實(shí)時(shí)特性應(yīng)該很值得借鑒。

1.2 特性介紹

Zephyr OS 基于小占用內(nèi)核，設(shè)計(jì)用于資源受限的嵌入式系統(tǒng)：從簡單的嵌入式環(huán)境傳感器和 LED 可穿戴設(shè)備到復(fù)雜的嵌入式控制器、智能手表和物聯(lián)網(wǎng)無線應(yīng)用。

其中Zephyr OS為Zephyr提供的核心代碼包含了：

Kernel/HAL

內(nèi)核調(diào)度

低級(jí)的體系結(jié)構(gòu)和板級(jí)支援

各種RTOS內(nèi)核對(duì)象

電源管理框架

低級(jí)的硬件接口抽象

OS服務(wù)及底層接口

設(shè)備管理及底層驅(qū)動(dòng)API

文件系統(tǒng)，Logging系統(tǒng)，Debugging系統(tǒng)及IPC

加密服務(wù)

平臺(tái)相關(guān)的特殊驅(qū)動(dòng)

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧

應(yīng)用服務(wù)

高層級(jí)的應(yīng)用API

標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)模型

高層級(jí)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議接口

對(duì)于Zephyr應(yīng)用開發(fā)者，需要熟知應(yīng)用服務(wù)和OS服務(wù)，了解底層接口及Kernel/HAL特性。

Zephy也提供構(gòu)建系統(tǒng)及開發(fā)環(huán)境和Zephyr OS一起構(gòu)成了Zephyr Project，Zephyr Project包含了：

Zephyr的SDK，構(gòu)建工具，CI及開發(fā)環(huán)境

Bootloader：MCUboot

附加的中間件

Zephyr除了核心代碼之外還引入了其它優(yōu)秀的開源項(xiàng)目做為其功能組成部分，另外還有不同的項(xiàng)目也將Zephyr作為其組成部分，這些內(nèi)容在一起構(gòu)成了完整的Zephyr生態(tài)。Zephyr生態(tài)有如下內(nèi)容：

第三方模塊或庫：例如lvgl，fatfs，mcumgr，openthread，openamp，opencan等等。

第三方支持Zephyr的項(xiàng)目：例如Jerryscript ,Micropython , Iotivity , SwiftIO等。

SOC供應(yīng)商Hal，Zephyr將不同芯片的Hal作為外部模塊引入到Zephyr中，通過Zephyr驅(qū)動(dòng)的整合讓應(yīng)用可以通過統(tǒng)一的驅(qū)動(dòng)接口控制不同芯片的片上設(shè)備。例如：nxp，st，ti，nordic，silabs等等。

Kernel涵蓋以下內(nèi)容：

提供Kernel service，例如thread，同步，數(shù)據(jù)傳遞，中斷管理，時(shí)間管理，內(nèi)存管理等

進(jìn)行任務(wù)調(diào)度

電源管理

平臺(tái)相關(guān)的特殊驅(qū)動(dòng)，例如Radios，傳感器，加密硬件，F(xiàn)lash等

OS服務(wù)涵蓋以下內(nèi)容：

設(shè)備驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，提供統(tǒng)一的底層驅(qū)動(dòng)接口

設(shè)備管理

網(wǎng)絡(luò)L2實(shí)現(xiàn)及接口抽象

網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層協(xié)議棧(TCP/IP)，socket接口

應(yīng)用服務(wù)涵蓋以下內(nèi)容：

網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用協(xié)議及高層級(jí)接口，例如HTTP，coap，mqtt，tls，dtls等

提供標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)模型，目前尚未在Zephyr的目錄樹中找到該部分內(nèi)容

提供智能物件對(duì)象，例如基于lwm2m的IPSO

Zephyr的硬件層次結(jié)構(gòu)被抽象出6層：

架構(gòu)(Architecutre)：指令架構(gòu)體系，例如ARM，RISC-V，x86等

CPU內(nèi)核(CPU core)：架構(gòu)中特定的CPU，例如ARM中有Cortex-M0,M3,M4,M7等

芯片族(Soc family)：具有相似特性的SoC，例如Cortex-M7中有STMicro STM32，NXP i.MX

芯片系列(SoC series)：一小部分緊密關(guān)聯(lián)的SoC，例如i.MX中有i.MX RT 系列，i.MX 8系列等

芯片級(jí)(SoC)：電路板上的SoC，例如i.MX RT系列中有RT1050,RT1060等芯片

板級(jí)(Board)：PCB上特定的SoC和一些外設(shè)相連構(gòu)成有特定功能的電路板。例如Zephyr支援的mimxrt1050_evk，mm_swiftio開發(fā)板使用了rt1052芯片。

Zephyr 內(nèi)核支持多種架構(gòu)，包括：

ARCv2 (EM and HS) and ARCv3 (HS6X)

ARMv6-M, ARMv7-M, and ARMv8-M (Cortex-M)

ARMv7-A and ARMv8-A (Cortex-A, 32- and 64-bit)

ARMv7-R, ARMv8-R (Cortex-R, 32- and 64-bit)

Intel x86 (32- and 64-bit)

MIPS (MIPS32 Release 1 specification)

NIOS II Gen 2

RISC-V (32- and 64-bit)

SPARC V8

Tensilica Xtensa

廣泛的內(nèi)核服務(wù)套件，Zephyr 提供了許多熟悉的開發(fā)服務(wù)：

用于協(xié)作、基于優(yōu)先級(jí)、非搶占式和搶占式線程的多線程服務(wù)，具有可選的循環(huán)時(shí)間切片。包括 POSIX pthreads 兼容 API 支持。

中斷服務(wù)用于中斷處理程序的編譯時(shí)注冊(cè)。

用于動(dòng)態(tài)分配和釋放固定大小或可變大小內(nèi)存塊的內(nèi)存分配服務(wù)。

用于二進(jìn)制信號(hào)量、計(jì)數(shù)信號(hào)量和互斥信號(hào)量的線程間同步服務(wù)。

用于基本消息隊(duì)列、增強(qiáng)消息隊(duì)列和字節(jié)流的線程間數(shù)據(jù)傳遞服務(wù)。

Zephyr 提供了一套全面的線程調(diào)度選擇：

協(xié)作和搶占式調(diào)度

最早截止日期優(yōu)先 (EDF)

元 IRQ 調(diào)度實(shí)現(xiàn)“中斷下半部分”或“tasklet”行為

時(shí)間切片：在同等優(yōu)先級(jí)的可搶占線程之間啟用時(shí)間切片

多種排隊(duì)策略：

簡單鏈表就緒隊(duì)列

紅/黑樹就緒隊(duì)列

傳統(tǒng)多隊(duì)列就緒隊(duì)列

高度可配置/模塊化以實(shí)現(xiàn)靈活性

允許應(yīng)用程序僅根據(jù)需要合并其所需的功能，并指定其數(shù)量和大小。

跨架構(gòu)

支持具有不同 CPU 架構(gòu)和開發(fā)工具的各種受支持的主板。貢獻(xiàn)增加了對(duì)越來越多 SoC、平臺(tái)和驅(qū)動(dòng)程序的支持。

內(nèi)存保護(hù)

在 x86、ARC 和 ARM 架構(gòu)、用戶空間和內(nèi)存域上實(shí)現(xiàn)可配置的特定于架構(gòu)的堆棧溢出保護(hù)、內(nèi)核對(duì)象和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序權(quán)限跟蹤以及具有線程級(jí)內(nèi)存保護(hù)的線程隔離。

對(duì)于沒有 MMU/MPU 和內(nèi)存受限設(shè)備的平臺(tái)，支持將特定于應(yīng)用程序的代碼與自定義內(nèi)核相結(jié)合，以創(chuàng)建在系統(tǒng)硬件上加載和執(zhí)行的整體映像。應(yīng)用程序代碼和內(nèi)核代碼都在單個(gè)共享地址空間中執(zhí)行。

編譯時(shí)資源定義

允許在編譯時(shí)定義系統(tǒng)資源，從而減少代碼大小并提高資源有限系統(tǒng)的性能。

優(yōu)化的設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型

提供用于配置屬于平臺(tái)/系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序的一致設(shè)備模型，以及用于初始化配置到系統(tǒng)中的所有驅(qū)動(dòng)程序的一致模型，并允許跨具有公共設(shè)備/IP 塊的平臺(tái)重用驅(qū)動(dòng)程序。

設(shè)備樹支持

使用devicetree來描述硬件。來自 devicetree 的信息用于創(chuàng)建應(yīng)用程序映像。

支持多種協(xié)議的本機(jī)網(wǎng)絡(luò)堆棧

網(wǎng)絡(luò)支持功能齊全且經(jīng)過優(yōu)化，包括 LwM2M 和 BSD 套接字兼容支持。還提供 OpenThread 支持（在 Nordic 芯片組上） - 一個(gè)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，旨在安全可靠地連接家庭周圍的數(shù)百個(gè)產(chǎn)品。

低功耗藍(lán)牙 5.0 支持

符合藍(lán)牙 5.0 標(biāo)準(zhǔn) (ESR10) 和藍(lán)牙低功耗控制器支持（LE 鏈路層）。包括藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和藍(lán)牙資格就緒的藍(lán)牙控制器。

網(wǎng)格支持：

中繼、朋友節(jié)點(diǎn)、低功耗節(jié)點(diǎn) (LPN) 和 GATT 代理功能

支持兩種配置承載（PB-ADV 和 PB-GATT）

高度可配置，適合具有至少 16k RAM 的設(shè)備

具有所有可能的 LE 角色的通用訪問配置文件 (GAP)

通用屬性配置文件 (GATT)

配對(duì)支持，包括藍(lán)牙 4.2 的安全連接功能

干凈的 HCI 驅(qū)動(dòng)程序抽象

原始 HCI 接口將 Zephyr 作為控制器運(yùn)行，而不是完整的主機(jī)堆棧

經(jīng)多個(gè)流行控制器驗(yàn)證

高度可配置

本機(jī) Linux、macOS 和 Windows 開發(fā)

命令行 CMake 構(gòu)建環(huán)境在流行的開發(fā)人員操作系統(tǒng)上運(yùn)行。本機(jī)端口 ( native_sim ) 允許您在 Linux 上構(gòu)建和運(yùn)行 Zephyr 作為本機(jī)應(yīng)用程序，從而幫助開發(fā)和測試。

支持 ext2、FatFs 和 LittleFS 的虛擬文件系統(tǒng)接口

ext2、LittleFS 和 FatFS 支持；FCB（閃存循環(huán)緩沖區(qū)）適用于內(nèi)存受限的應(yīng)用程序。

強(qiáng)大的多后端日志框架

支持日志過濾、對(duì)象轉(zhuǎn)儲(chǔ)、恐慌模式、多個(gè)后端（內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)、文件系統(tǒng)、控制臺(tái)……）以及與 shell 子系統(tǒng)的集成。

用戶友好且功能齊全的 Shell 界面

多實(shí)例 shell 子系統(tǒng)，具有用戶友好的功能，例如自動(dòng)完成、通配符、著色、元鍵（箭頭、退格鍵、ctrl+u 等）和歷史記錄。支持靜態(tài)命令和動(dòng)態(tài)子命令。

非易失性存儲(chǔ)上的設(shè)置

設(shè)置子系統(tǒng)為模塊提供了一種存儲(chǔ)持久的每設(shè)備配置和運(yùn)行時(shí)狀態(tài)的方法。設(shè)置項(xiàng)存儲(chǔ)為鍵值對(duì)字符串。

非易失性存儲(chǔ) (NVS)

NVS 允許存儲(chǔ)二進(jìn)制 blob、字符串、整數(shù)、長整型以及這些的任意組合。

本機(jī)端口

Native sim允許將 Zephyr 作為 Linux 應(yīng)用程序運(yùn)行，并支持各種子系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)。

2. 環(huán)境搭建和代碼下載編譯

按照本指南進(jìn)行操作：

在 Ubuntu、macOS 或 Windows 上設(shè)置命令行 Zephyr 開發(fā)環(huán)境（其他 Linux 發(fā)行版的說明在安裝 Linux 主機(jī)依賴項(xiàng)中討論）

獲取源代碼

構(gòu)建、刷新并運(yùn)行示例應(yīng)用程序

具體不贅述了，提下如果在qemu下運(yùn)行，參考如下：

在QEMU中運(yùn)行應(yīng)用程序

在 Linux 和 macOS 上，當(dāng)面向 x86 或 ARM Cortex-M3 架構(gòu)時(shí)，您可以使用QEMU在主機(jī)系統(tǒng)上通過仿真運(yùn)行 Zephyr 應(yīng)用程序。（QEMU 包含在 Zephyr SDK 安裝中。）

例如，您可以使用 x86 仿真板配置 ( ) 構(gòu)建并運(yùn)行Hello Worldqemu_x86示例，其中：

# From the root of the zephyr repository
west build -b qemu_x86 samples/hello_world
west build -t run

要退出 QEMU，請(qǐng)鍵入，然后鍵入。Ctrl-a``x

用于qemu_cortex_m3針對(duì)模擬的 Arm Cortex-M3 示例。

3. Zephyr的內(nèi)核特性

3.1 構(gòu)建

ephyr的構(gòu)建系統(tǒng)主要有三個(gè)部分cmake、kconfig、devicetree

cmake ：在前期驅(qū)動(dòng)kconfig和devicetree需生成必要的頭文件，后期用來生成像ninja或makefile等編譯腳本

kconfig：平臺(tái)的區(qū)分以及代碼的裁剪，應(yīng)用開發(fā)中主要體現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)的開關(guān)，如下圖顯示，在驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)里面定義了wifi的kconfig宏，用戶在使用的時(shí)候可以在prj.config文件去打開這個(gè)宏，這個(gè)驅(qū)動(dòng)就會(huì)被打開。

devicetree：配置硬件參數(shù)信息，比如像WIFI的模塊，可以配置SPI引腳以及速率，還可以配置跟他相關(guān)的同步引腳。

3.2 設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型

Zephyr幾乎為所有的外設(shè)驅(qū)動(dòng)都提供了統(tǒng)一的API接口，芯片原廠基于API接口提供自己的實(shí)現(xiàn)，用戶在使用外設(shè)的時(shí)候可以直接使用Zephyr提供的外設(shè)接口來進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)。

Zephyr的設(shè)備驅(qū)動(dòng)是在同一個(gè)地方統(tǒng)一初始化的，比如像這個(gè)SPI的驅(qū)動(dòng)，它的宏函數(shù)就等效于這一段代碼，代碼的含義就是注冊(cè)了一個(gè)函數(shù)。這個(gè)函數(shù)會(huì)在main函數(shù)前運(yùn)行，運(yùn)行等級(jí)為application級(jí)別。驅(qū)動(dòng)的等級(jí)會(huì)比application高，等級(jí)越高就會(huì)越先執(zhí)行。設(shè)備驅(qū)動(dòng)一定會(huì)在main函數(shù)前初始化完畢。

3.3 線程調(diào)度和通信

Zephyr 在線程調(diào)度方面的功能更加強(qiáng)大、靈活，可以更好地滿足不同場景下的需求。

而 FreeRTOS 則更加簡單、易于使用，適合對(duì)資源需求較為簡單的嵌入式應(yīng)用場景

Zephyr 與 FreeRTOS 線程通信對(duì)比：

Zephyr提供了管道、消息隊(duì)列和信號(hào)量等多種線程通信機(jī)制，而FreeRTOS提供了二值信號(hào)量、互斥量和隊(duì)列等線程通信機(jī)制?？梢钥闯觯琙ephyr提供的線程通信機(jī)制更加多樣化。

3.4 內(nèi)存管理

Zephyr在內(nèi)存管理上具備一些比起其他RTOS更加先進(jìn)機(jī)制，如下

Memory Heaps：提供了基于堆的動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配和釋放機(jī)制

Memory Slabs：提供了預(yù)分配一定數(shù)量內(nèi)存塊的機(jī)制，并能夠快速分配和釋放內(nèi)存塊，避免了堆內(nèi)存管理的 開銷以及內(nèi)存碎片的產(chǎn)生

Memory Blocks Allocator：提供了固定大小內(nèi)存塊的動(dòng)態(tài)分配和釋放機(jī)制，適用于需要頻繁分配、釋放同一大小內(nèi)存塊 的場景

3.5 組件生態(tài)

越來越多的第三方組件庫已經(jīng)加入或者被移植進(jìn)了ZephyrProject中,第三方組件管理與接入流程也日趨成熟這為開發(fā)者節(jié)省了大量常用組件的移植與適配工作。

4. Zephyr啟動(dòng)流程

這里我們以cortex_m為例，只講下啟動(dòng)流程，其他代碼流程分析，參考：https://blog.csdn.net/qq_36115224/category_12279396.html

4.1 程序入口

include/zephyr/arch/arm/cortex_m/scripts/linker.ld中定義了ENTRY程序入口

ENTRY(CONFIG_KERNEL_ENTRY)

這個(gè)宏的定義在Kconfig.zephyr中

config KERNEL_ENTRY
string "Kernel entry symbol"
default "__start"
help
  Code entry symbol, to be set at linking phase.

__start是程序的入口，但是這是gcc的規(guī)則，Cortex-M系列處理器是通過中斷向量表來確定程序入口 Cortex-M系列處理器是通過中斷向量表來確定程序入口。

在 Cortex-M 系列 MCU 中，如果設(shè)置為從 flash 啟動(dòng)，flash 前1K 用于存放中斷向量表，

其中第一個(gè)字為程序棧頂指針，用于初始化棧頂

第二個(gè)字為復(fù)位向量，即 ResetHandler 的地址，作為程序跳轉(zhuǎn)地址，從而跳轉(zhuǎn)到程序中運(yùn)行

詳細(xì)說明可參考異常模型, 該機(jī)制為Cortex-M 系列 MCU 中獨(dú)有，與此相對(duì)的，不同的芯片在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)對(duì)可執(zhí)行程序都有一定的格式要求，需要在程序的頭部添加符合操作規(guī)范的頭。

中斷向量表中，reset的處理地址定義在arch/arm/core/cortex_m/reset.S中

SECTION_SUBSEC_FUNC(TEXT,_reset_section,z_arm_reset)

4.2 匯編初始化

在arch/arm/core/cortex_m/reset.S中

SECTION_SUBSEC_FUNC(TEXT,_reset_section,__start)

#if defined(CONFIG_DEBUG_THREAD_INFO)
    /* Clear z_sys_post_kernel flag for RTOS aware debuggers */
    movs.n r0, #0
    ldr r1, =z_sys_post_kernel
    strb r0, [r1]
#endif /* CONFIG_DEBUG_THREAD_INFO */

#if defined(CONFIG_INIT_ARCH_HW_AT_BOOT)
    /* 復(fù)位CONTROL寄存器，在特權(quán)模式和非特權(quán)模式均使用MSP，
     * 當(dāng)切換棧指針之后必須使用ISB指令刷新流水線，
     * 以保證在ISB之后執(zhí)行的指令都使用新的棧
     */
    movs.n r0, #0
    msr CONTROL, r0
    isb
#if defined(CONFIG_CPU_CORTEX_M_HAS_SPLIM)
    /* 堆棧限制寄存器分別限制 MSP 和 PSP 寄存器可以下降的程度，此處設(shè)置為0 */
    movs.n r0, #0
    msr MSPLIM, r0
    msr PSPLIM, r0
#endif /* CONFIG_CPU_CORTEX_M_HAS_SPLIM */

#endif /* CONFIG_INIT_ARCH_HW_AT_BOOT */

#if defined(CONFIG_PM_S2RAM)
    /* 低功耗相關(guān)初始化 */
    bl arch_pm_s2ram_resume
#endif /* CONFIG_PM_S2RAM */

#if defined(CONFIG_PLATFORM_SPECIFIC_INIT)
    /* 針對(duì)內(nèi)存，cache，jtag，時(shí)鐘，中斷的一些特殊配置  */
    bl z_arm_platform_init
#endif

#if defined(CONFIG_INIT_ARCH_HW_AT_BOOT)
#if defined(CONFIG_CPU_HAS_ARM_MPU)
    /* 操作系統(tǒng)未運(yùn)行之前使用平坦內(nèi)存模型，所有內(nèi)存均不受保護(hù)，
     * 為避免在初始化過程中觸發(fā)讀寫保護(hù)進(jìn)入異常，一定要關(guān)閉MPU
     */
    movs.n r0, #0
    ldr r1, =_SCS_MPU_CTRL
    str r0, [r1]
    dsb
#endif /* CONFIG_CPU_HAS_ARM_MPU */
    /* ARM32使用滿遞減棧，棧頂指針初始時(shí)刻指向高地址，
     * 將MSP指向 z_main_stack 的末尾，以便后續(xù)進(jìn)行函數(shù)調(diào)用
     */
    ldr r0, =z_main_stack + CONFIG_MAIN_STACK_SIZE
    msr msp, r0

    /* 清除MPU配置，關(guān)閉所有中斷，清除被掛起的中斷，重置Cache配置等 */
    bl z_arm_init_arch_hw_at_boot
#endif /* CONFIG_INIT_ARCH_HW_AT_BOOT */

    /* 屏蔽中斷 */
#if defined(CONFIG_ARMV6_M_ARMV8_M_BASELINE)
    cpsid i
#elif defined(CONFIG_ARMV7_M_ARMV8_M_MAINLINE)
    movs.n r0, #_EXC_IRQ_DEFAULT_PRIO
    msr BASEPRI, r0
#else
#error Unknown ARM architecture
#endif

#ifdef CONFIG_WDOG_INIT
    /* 開啟看門狗 */
    bl z_arm_watchdog_init
#endif

#ifdef CONFIG_INIT_STACKS
    /* 將棧全部設(shè)置為0xaa，可用于監(jiān)測剩余棧容量 */
    ldr r0, =z_interrupt_stacks
    ldr r1, =0xaa
    ldr r2, =CONFIG_ISR_STACK_SIZE + MPU_GUARD_ALIGN_AND_SIZE
    bl z_early_memset
#endif

    /* 初始化PSP，將CONTROL的SPSEL位設(shè)置為1（在特權(quán)模式下使用MSP，非特權(quán)模式下使用PSP）
     * 后續(xù)操作將使用 z_interrupt_stacks 作為棧進(jìn)行初始化
     */
    ldr r0, =z_interrupt_stacks
    ldr r1, =CONFIG_ISR_STACK_SIZE + MPU_GUARD_ALIGN_AND_SIZE
    adds r0, r0, r1
    msr PSP, r0
    mrs r0, CONTROL
    movs r1, #2
    orrs r0, r1 /* CONTROL_SPSEL_Msk */
    msr CONTROL, r0
    isb

    bl z_prep_c

4.3 C語言初始化

z_prep_c（）函數(shù)的定義在arch/arm/core/cortex_m/prep_c.c中

void z_arm_prep_c(void)
{
relocate_vector_table();
#if defined(CONFIG_CPU_HAS_FPU)
z_arm_floating_point_init();
#endif
z_bss_zero();
z_data_copy();
#if ((defined(CONFIG_ARMV7_R) || defined(CONFIG_ARMV7_A)) && defined(CONFIG_INIT_STACKS))
z_arm_init_stacks();
#endif
z_arm_interrupt_init();
z_cstart();
CODE_UNREACHABLE;
}

對(duì)于不同的平臺(tái)還需要增加額外的操作，例如浮點(diǎn)寄存器的初始化，中斷向量表的重定向，在系統(tǒng)啟動(dòng)之前還運(yùn)行了一段芯片內(nèi)置程序，這段程序?qū)⒅袛嘞蛄勘淼奈恢迷O(shè)置為 0x00000000，當(dāng)程序從boot跳轉(zhuǎn)到指定存儲(chǔ)器運(yùn)行之后，首先需要立即關(guān)閉中斷，避免中斷產(chǎn)生并跳轉(zhuǎn)到錯(cuò)誤的中斷響應(yīng)函數(shù)中，重設(shè)中斷向量表偏移位置之后，再重新開啟中斷。

初始化內(nèi)核開啟任務(wù)調(diào)度

FUNC_NO_STACK_PROTECTOR
FUNC_NORETURN void z_cstart(void)
{
/* 代碼覆蓋率測試相關(guān) */
gcov_static_init();

/* 調(diào)用初始化級(jí)別為 INIT_LEVEL_EARLY 的函數(shù)進(jìn)行初始化 */
z_sys_init_run_level(INIT_LEVEL_EARLY);

/* z_arm_interrupt_stack_setup 初始化MSP
 * z_arm_exc_setup 初始化PENDSV、SysTick等中斷的優(yōu)先級(jí)，其中PENDSV優(yōu)先級(jí)為最低
 * z_arm_fault_init 初始化 Fault 中斷。
 * z_arm_cpu_idle_init 初始化 idle 線程
 * z_arm_clear_faults 清除所有故障標(biāo)志
 * z_arm_mpu_init 初始化MPU
 * z_arm_mmu_init 初始化MMU
 */
arch_kernel_init();

/* 日志初始化 */
LOG_CORE_INIT();

#if defined(CONFIG_MULTITHREADING)
/* Note: The z_ready_thread() call in prepare_multithreading() requires
 * a dummy thread even if CONFIG_ARCH_HAS_CUSTOM_SWAP_TO_MAIN=y
 */
struct k_thread dummy_thread;

z_dummy_thread_init(&dummy_thread);
#endif
/* 初始化驅(qū)動(dòng)中的靜態(tài)節(jié)點(diǎn) */
z_device_state_init();

/* 其他的硬件初始化 */
z_sys_init_run_level(INIT_LEVEL_PRE_KERNEL_1);
z_sys_init_run_level(INIT_LEVEL_PRE_KERNEL_2);

#ifdef CONFIG_STACK_CANARIES
/* CONFIG_STACK_CANARIES 用于開啟堆棧金絲雀功能，這是一種安全特性，有助于監(jiān)測堆棧溢出，
 * 當(dāng)啟動(dòng)該功能時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)會(huì)生成一個(gè)隨機(jī)數(shù)并保存在 __stack_chk_guard 中，
 * 在函數(shù)返回之前會(huì)檢查該值確保它沒有被緩沖區(qū)溢出所覆蓋。
 */
uintptr_t stack_guard;

z_early_boot_rand_get((uint8_t *)&stack_guard, sizeof(stack_guard));
__stack_chk_guard = stack_guard;
__stack_chk_guard <<= 8;
#endif/* CONFIG_STACK_CANARIES */

#ifdef CONFIG_TIMING_FUNCTIONS_NEED_AT_BOOT
/* timing_init 函數(shù)用于初始化系統(tǒng)計(jì)時(shí)器 */
timing_init();
timing_start();
#endif

#ifdef CONFIG_MULTITHREADING
/* CONFIG_MULTITHREADING為y時(shí)，使用多線程，否則只會(huì)有一個(gè) main 線程，
 * 默認(rèn)情況下都啟用多線程，通過將 main 線程添加到就緒隊(duì)列中然后開啟任務(wù)調(diào)度
 */
switch_to_main_thread(prepare_multithreading());
#else
#ifdef ARCH_SWITCH_TO_MAIN_NO_MULTITHREADING
/* Custom ARCH-specific routine to switch to main()
 * in the case of no multi-threading.
 */
ARCH_SWITCH_TO_MAIN_NO_MULTITHREADING(bg_thread_main,
NULL, NULL, NULL);
#else
bg_thread_main(NULL, NULL, NULL);

/* LCOV_EXCL_START
 * We've already dumped coverage data at this point.
 */
irq_lock();
while (true) {
}
/* LCOV_EXCL_STOP */
#endif
#endif /* CONFIG_MULTITHREADING */

/*
 * Compiler can't tell that the above routines won't return and issues
 * a warning unless we explicitly tell it that control never gets this
 * far.
 */

CODE_UNREACHABLE; /* LCOV_EXCL_LINE */
}

在進(jìn)入 z_cstart 之后，首先調(diào)用平臺(tái)相關(guān)的內(nèi)核初始化函數(shù)，然后使用模塊自動(dòng)初始化機(jī)制根據(jù)不同優(yōu)先級(jí)調(diào)用相關(guān)初始化函數(shù) 需要注意的是，同一優(yōu)先級(jí)的模塊之間不應(yīng)該存在依賴關(guān)系，被依賴的模塊應(yīng)該先初始化。在調(diào)度器啟動(dòng)之前會(huì)調(diào)用優(yōu)先級(jí)為 INIT_LEVEL_PRE_KERNEL_1 和 INIT_LEVEL_PRE_KERNEL_2 的初始化函數(shù)，此時(shí)調(diào)度器還未運(yùn)行，因此這些函數(shù)中不應(yīng)該使用操作系統(tǒng)提供的功能。在初始化完成之后通過將main線程添加到就緒隊(duì)列中并開啟調(diào)度器，main 線程從 bg_thread_main 函數(shù)開始運(yùn)行。

4.4 main線程

bg_thread_main的定義在kernel/init.c中，

static void bg_thread_main(void *unused1, void *unused2, void *unused3)
{
ARG_UNUSED(unused1);
ARG_UNUSED(unused2);
ARG_UNUSED(unused3);

#ifdef CONFIG_MMU
/* Invoked here such that backing store or eviction algorithms may
 * initialize kernel objects, and that all POST_KERNEL and later tasks
 * may perform memory management tasks (except for z_phys_map() which
 * is allowed at any time)
 */
z_mem_manage_init();
#endif /* CONFIG_MMU */
z_sys_post_kernel = true;

/* 調(diào)用優(yōu)先級(jí)為INIT_LEVEL_POST_KERNEL的初始化函數(shù)，
 * 此時(shí)內(nèi)核已經(jīng)開始運(yùn)行，可以使用操作系統(tǒng)API
 */
z_sys_init_run_level(INIT_LEVEL_POST_KERNEL);
#if CONFIG_STACK_POINTER_RANDOM
z_stack_adjust_initialized = 1;
#endif
/* 從控制臺(tái)輸出系統(tǒng)啟動(dòng)標(biāo)識(shí) */
boot_banner();

#if defined(CONFIG_CPP)
/* 初始化CPP運(yùn)行環(huán)境 */
void z_cpp_init_static(void);
z_cpp_init_static();
#endif

/* 調(diào)用優(yōu)先級(jí)為 INIT_LEVEL_APPLICATION 的初始化函數(shù) */
z_sys_init_run_level(INIT_LEVEL_APPLICATION);
/* Zephyr支持靜態(tài)創(chuàng)建線程，線程對(duì)應(yīng)的信息在編譯時(shí)確定，
 * 隨代碼一起被編譯到程序中，系統(tǒng)啟動(dòng)之后從對(duì)應(yīng)地址將線程的信息從flash中讀出，
 * 創(chuàng)建并初始化線程并將其添加到就緒隊(duì)列中等待操作系統(tǒng)調(diào)度。
 */
z_init_static_threads();

#ifdef CONFIG_KERNEL_COHERENCE
__ASSERT_NO_MSG(arch_mem_coherent(&_kernel));
#endif

#ifdef CONFIG_SMP
if (!IS_ENABLED(CONFIG_SMP_BOOT_DELAY)) {
z_smp_init();
}
z_sys_init_run_level(INIT_LEVEL_SMP);
#endif

#ifdef CONFIG_MMU
z_mem_manage_boot_finish();
#endif /* CONFIG_MMU */

#ifdef CONFIG_CPP_MAIN
extern int main(void);
#else
extern void main(void);
#endif

/* 跳轉(zhuǎn)到main函數(shù) */
(void)main();

/* Mark nonessential since main() has no more work to do */
z_main_thread.base.user_options &= ~K_ESSENTIAL;

#ifdef CONFIG_COVERAGE_DUMP
/* Dump coverage data once the main() has exited. */
gcov_coverage_dump();
#endif
}

其中包含幾個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的重要的操作：配置MMU（如果存在） 調(diào)用優(yōu)先級(jí)為 INIT_LEVEL_POST_KERNEL 的初始化函數(shù) CPP運(yùn)行環(huán)境的初始化 調(diào)用優(yōu)先級(jí)為 INIT_LEVEL_APPLICATION 的初始化函數(shù) 創(chuàng)建通過宏靜態(tài)創(chuàng)建的線程，并添加到就緒隊(duì)列。初始化對(duì)稱多核處理（如果存在多個(gè)處理器并啟用了多核調(diào)度）。在這些準(zhǔn)備工作完成后跳轉(zhuǎn)到用戶編寫的main函數(shù)中，如果main函數(shù)執(zhí)行并返回，最終會(huì)返回到 z_thread_entry 被銷毀。

Zephyr RTOS整體上網(wǎng)上資料很多，大家可以自己去搜索學(xué)習(xí)，也說明這個(gè)RTOS是比較流行的，各種硬件也對(duì)這個(gè)Zephyr進(jìn)行了支持，里面有很多功能非常的豐富，如果自己項(xiàng)目的RTOS缺失的功能可以去上面進(jìn)行移植。一個(gè)典型就是gcov代碼覆蓋率測試模塊，一般的RTOS是不支持的就可以移植。

對(duì)于OS在國內(nèi)可能很神秘，但是在歐美特別是高校里面各種定制版本或者學(xué)術(shù)版本的OS層出不窮，已經(jīng)算是人人都能造OS了一樣，這些小眾的OS不一定流行起來，但是也各有特點(diǎn)，特別是一些特定場景下小眾OS也許能獲得更高的效率和效果，開源OS界也是天下文章一大抄。

審核編輯：湯梓紅