Creación de sistemas integrados escalables con Zephyr RTOS y plataformas de NXP Semiconductors

Los sistemas integrados siempre han implicado compromisos y los ingenieros han tenido que elegir entre rendimiento y potencia, flexibilidad y determinismo, o velocidad de comercialización y capacidad de mantenimiento a largo plazo. En su mayor parte, estas compensaciones eran manejables. El hardware estaba limitado, los requisitos eran estrechos y un microcontrolador podía hacer poco más que leer un sensor o manejar una interfaz de usuario sencilla, a menudo utilizando firmware bare-metal escrito directamente en torno a un único bucle de control.

Eso ya no es así. Los sistemas integrados modernos se están construyendo para hacer mucho más. En la actualidad, los dispositivos IoT, los controladores de automatización industrial y los nodos informáticos de borde deben soportar conectividad inalámbrica, pilas de seguridad, actualizaciones de firmware por aire y comunicación multiprotocolo de forma simultánea y fiable, a menudo en microcontroladores de recursos limitados con presupuestos de energía y memoria ajustados. El desarrollo bare-metal no escala bien en ese entorno.

Cuando múltiples funciones deben operar simultáneamente, cada una con diferentes requisitos de tiempo y prioridades, un bucle de control secuencial se convierte rápidamente en difícil de gestionar. Los equipos de desarrollo acaban pasando semanas escribiendo programadores personalizados, portando controladores y resolviendo conflictos de integración de bajo nivel sólo para conseguir que el sistema funcione de forma fiable.

Un sistema operativo en tiempo real integrado aborda esta cuestión gestionando las tareas concurrentes, asignando el tiempo del procesador y garantizando que las operaciones críticas en el tiempo se ejecuten de forma predecible. Sin embargo, la programación de tareas por sí sola no es suficiente para los sistemas empotrados modernos. Los diseñadores de sistemas necesitan pilas de redes, bibliotecas de seguridad, compatibilidad con Bluetooth y una amplia compatibilidad de hardware, todo ello mantenido y listo para la producción dentro de un único marco. Zephyr RTOS proporciona exactamente esto.

Una base para el desarrollo de firmware integrado

Zephyr es un sistema operativo en tiempo real (RTOS) integrado de código abierto y alojado en la Fundación Linux. Es compatible con plataformas que van desde microcontroladores Cortex-M de bajo consumo hasta procesadores edge-class más capaces, lo que permite escalar el mismo marco de software a través de una amplia gama de aplicaciones integradas.

El sistema está construido en torno a una arquitectura modular basada en Kconfig que permite a los desarrolladores seleccionar únicamente los subsistemas que requiere su aplicación, como pilas de red, Bluetooth de baja energía (BLE), compatibilidad con dispositivos USB, bibliotecas criptográficas, sistemas de archivos y funciones de gestión de energía. Todo lo que no se selecciona se excluye en tiempo de compilación, lo que permite al firmware escalar con la aplicación en lugar de una huella fija del sistema operativo. Esta flexibilidad es fundamental en el desarrollo de firmware con recursos limitados.

A nivel del núcleo, Zephyr proporciona una programación preventiva basada en prioridades con latencia de interrupción limitada y resolución de garrapatas configurable. Este comportamiento determinista en tiempo real permite que las operaciones de tiempo crítico, como el control de motores, el muestreo de sensores, los bucles de control industrial y las tareas de comunicación inalámbrica, se ejecuten de forma predecible incluso en entornos multihilo.

El modelo de abstracción de hardware expone periféricos como GPIO, SPI, I2C y PWM a través de API estables, independientemente del silicio subyacente. Mediante el uso de paquetes de soporte de placa (BSP) para asignar estas interfaces a hardware específico, Zephyr permite a los desarrolladores escribir firmware portátil que evita las configuraciones de registro específicas de la plataforma, lo que reduce significativamente el esfuerzo necesario para migrar o escalar los diseños de sistemas integrados.

Más allá del núcleo, Zephyr incluye subsistemas listos para la producción para Bluetooth 5.x, IEEE 802.15.4, una pila TCP/IP nativa, MQTT, CoAP, TLS a través de Mbed TLS y arranque seguro a través de MCUboot. Estos componentes se mantienen de forma activa, se prueban en hardware real y se utilizan ampliamente en productos comerciales, lo que reduce la necesidad de que los desarrolladores ensamblen y validen de forma independiente la pila de software (Figura 1).

Figura 1: Diagrama de la arquitectura del RTOS Zephyr, que muestra la pila completa de software desde la capa de plataforma, pasando por el núcleo, los servicios del SO y los servicios de aplicación, hasta la capa de aplicación. (Fuente de la imagen: NXP Semiconductors)

Zephyr proporciona una sólida base de software para el desarrollo integrado moderno. Sin embargo, hacer realidad todas sus capacidades en un diseño de producción depende igualmente del ecosistema del hardware en el que se ejecuta. Los BSP, los controladores de periféricos y la alineación de la cadena de herramientas de un proveedor de silicio determinan hasta qué punto las capacidades de Zephyr se traducen en firmware operativo. Cuando estos están incompletos o inmaduros, los problemas de integración afloran tarde en el ciclo de desarrollo, cuando son más costosos de resolver.

La importancia del ecosistema de hardware en los sistemas empotrados

La brecha entre la capacidad del RTOS y la preparación del hardware es donde la fortaleza del ecosistema de silicio subyacente se convierte en una consideración crítica de ingeniería. NXP Semiconductors cierra esta brecha con un soporte Zephyr líder en la industria a través de su amplia cartera de microcontroladores y procesadores.

Como uno de los seis miembros fundadores del Proyecto Zephyr, NXP Semiconductors ayudó a dar forma a su arquitectura y dirección bajo la Fundación Linux desde el principio. Esta implicación fundacional se refleja en la profundidad, consistencia y amplia gama del soporte Zephyr de NXP en la actualidad.

En la actualidad, NXP ofrece más de 40 plataformas de hardware compatibles con Zephyr OS, que abarcan MCU inalámbricas de bajo consumo, procesadores cruzados de alto rendimiento, puntos finales IoT seguros y controladores para automoción con conectividad CAN FD. En todas ellas, la compatibilidad con la placa Zephyr se mantiene y se alinea con las capacidades de cada plataforma, lo que proporciona a los equipos de desarrollo acceso a un marco de software coherente en toda la gama de hardware de NXP.

NXP Semiconductors logra esta compatibilidad contribuyendo directamente a los subsistemas centrales de Zephyr RTOS, al desarrollo de controladores upstream y a la habilitación de plataformas dentro de la base de código principal, no como bifurcaciones específicas del proveedor o conjuntos de parches fuera del árbol. El soporte de hardware de NXP Semiconductor se mantiene al día con cada lanzamiento trimestral de Zephyr, cubriendo nuevas funciones de red, mejoras del subsistema de seguridad y actualizaciones del núcleo. Como resultado, los equipos de desarrollo no tienen que esperar a una actualización independiente del SDK del proveedor para acceder a las nuevas funciones de Zephyr, ya que la compatibilidad con estas funciones ya se encuentra en el flujo ascendente.

El utillaje de NXP completa esta alineación. MCUXpresso IDE, LinkServer y Visual Studio Code con la extensión MCUXpresso se integran con el sistema de compilación basado en el oeste de Zephyr, lo que proporciona a los equipos de desarrollo un entorno coherente desde la primera puesta en marcha hasta la producción. El soporte de la sonda de depuración J-Link con SEGGER Ozone permite la depuración thread-aware directamente dentro de las aplicaciones Zephyr. La empresa también proporciona guías de inicio, guías de laboratorio, notas de aplicación y recursos de formación específicos para el desarrollo de Zephyr en su hardware.

Para los equipos que implementan Zephyr RTOS en producción, la combinación de participación fundacional, amplio soporte de hardware, contribuciones upstream activas y herramientas alineadas de NXP Semiconductors lo convierten en una base de hardware sólida y coherente para sistemas integrados fiables.

Del desarrollo a la implementación: Zephyr y NXP en la práctica

El valor práctico de combinar Zephyr RTOS con el hardware de NXP Semiconductors se hace más evidente durante el desarrollo y la implementación del firmware. En lugar de ensamblar manualmente grandes partes de la pila de software al construir sistemas integrados, los desarrolladores pueden empezar a crear prototipos en plataformas de evaluación NXP compatibles utilizando una infraestructura de desarrollo preintegrada alineada con los flujos de trabajo de Zephyr.

Para la mayoría de los proyectos, el punto de partida natural es una plataforma de desarrollo NXP FRDM o EVK. El FRDM-MCXN947 (figura 2), por ejemplo, se suministra con compatibilidad total con Zephyr BSP. Los ingenieros pueden programar la placa, ejecutar una muestra que funcione y pasar directamente a la exploración de periféricos con una configuración mínima. La configuración de los periféricos sigue el modelo devicetree de Zephyr, en el que los ajustes de hardware se definen de forma declarativa en lugar de mediante configuraciones de registro específicas de la plataforma.

Figura 2: La placa de evaluación FRDM-MCXN947 para la MCU NXP MCX N947 de doble núcleo Cortex-M33, con una sonda de depuración MCU-Link integrada y compatibilidad total con Zephyr BSP. (Fuente de la imagen: NXP Semiconductors)

Añadir un periférico, como un sensor SPI o un transceptor CAN, se convierte en una cuestión de seleccionar el controlador adecuado y actualizar una superposición devicetree en lugar de escribir código de inicialización desde cero. La implementación de redes y seguridad sigue el mismo patrón. La conectividad BLE, el transporte cifrado a través de Mbed TLS y las actualizaciones de firmware OTA a través de MCUboot están disponibles como subsistemas Zephyr existentes, configurados a través de Kconfig.

El resultado de combinar Zephyr RTOS con el hardware de NXP Semiconductors es un flujo de trabajo de desarrollo que consigue que los equipos integrados dispongan más rápidamente de firmware listo para la aplicación. Esta ventaja es especialmente valiosa en aplicaciones en las que los plazos de desarrollo, la fiabilidad y la escalabilidad son fundamentales, como:

• Automatización industrial: Los controladores industriales y las pasarelas de bus de campo requieren una programación determinista, una sólida compatibilidad con CAN y largos ciclos de vida de los productos. La arquitectura de doble núcleo del MIMXRT1176CVM8A, con sus núcleos Cortex-M7 y Cortex-M4, permite que los bucles de control en tiempo real y las tareas de comunicación se gestionen en núcleos separados con el RTOS programando ambos de forma independiente.
• Dispositivos IoT de bajo consumo: Estos dispositivos se benefician directamente de la red modular de Zephyr y de su compatibilidad con la gestión de la energía. FRDM-MCXW71, la plataforma de desarrollo de NXP Semiconductor para nodos finales IoT alimentados por batería, integra un núcleo de aplicación Cortex-M33 con conectividad inalámbrica multiprotocolo, incluidos BLE y Thread. Al ejecutar Zephyr RTOS, puede utilizar el ralentí sin tictac y el ciclo de trabajo de la radio para equilibrar la conectividad con la duración de la batería. La lógica de gestión de la energía se encuentra en el RTOS mientras que la aplicación se encarga del comportamiento de los sensores.
• Edge computing: El MIMXRT685SFVKB, que integra un DSP HiFi4 y una unidad de procesamiento neural Ethos-U55 junto a su núcleo Cortex-M33, admite aplicaciones que combinan la adquisición de datos en tiempo real con la inferencia local (figura 3). La ejecución de TensorFlow Lite Micro en Zephyr para esta plataforma permite aplicaciones como el mantenimiento predictivo sin descargar el procesamiento a la nube.

Figura 3: La MCU cruzada MIMXRT685SFVKB combina un núcleo Arm Cortex-M33 con un DSP Cadence Xtensa HiFi4. (Fuente de la imagen: NXP Semiconductors)

Aunque estas son algunas de las aplicaciones más comunes, la combinación del RTOS Zephyr y el ecosistema de semiconductores de NXP se adapta bien a cualquier aplicación embebida que exija rendimiento y fiabilidad.

Conclusión

A medida que los sistemas integrados se vuelven más exigentes, las bases de software y hardware sobre las que se ejecutan son cada vez más críticas. Zephyr RTOS proporciona el marco de software modular y escalable que requiere el desarrollo moderno de firmware integrado. NXP Semiconductors, como miembro fundador del proyecto Zephyr, con un amplio apoyo en hardware, una contribución ascendente y herramientas alineadas, traduce este marco en una plataforma desplegable y lista para la producción.