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OS・実行環境

Zephyr

Linux Foundation主導の新しい組み込みRTOS。

概要

Zephyr（ゼファー）は、Linux Foundationが主導するオープンソースのリアルタイムOS（RTOS）です。2016年にLinux Foundationのもとでプロジェクトが発足し、Intel・Nordic Semiconductor・NXP・STMicroelectronics・Qualcommなど主要な半導体メーカーが開発・サポートに参加しています。

Zephyrの特徴は、単なるRTOSカーネルにとどまらず、Bluetooth・Wi-Fi・USB・CANなどの通信プロトコルスタック、豊富なデバイスドライバ、セキュリティ機能、ビルドシステム（CMake + west）を一体的に提供する「統合型プラットフォーム」であることです。デバイスツリーによるハードウェア抽象化は、Linuxカーネルから継承した設計思想に基づいています。

歴史・背景

Zephyrの原型は、Intelが開発していた「Rocket OS」という組み込みOSです。2016年2月、IntelはこのコードベースをLinux Foundationに寄贈し、「Zephyr Project」として発足しました。当初はIntel Quarkなどx86系マイコンを中心にサポートしていましたが、急速にARMやRISC-Vへの対応が進みました。

2017年にNordic Semiconductor、2018年にNXP・STMicroelectronicsが参加し、主要なARMマイコンへの対応が充実しました。2019年にはApache 2.0ライセンスへの移行と長期サポート（LTS）リリースが開始されました。

2020年代に入ってMatter（旧Project CHIP）・Thread・OpenThreadの公式実装プラットフォームとしてZephyrが採用されたことで、スマートホーム・IoT分野での注目が急上昇しました。Nordic nRF ConnectSDKはZephyrを基盤として採用しており、BLE/Thread/Matterデバイス開発の標準的な環境となっています。

2024年時点でZephyrはバージョン3.x系が最新で、500以上のボードをサポートしています。

技術仕様

サポートアーキテクチャ

アーキテクチャ代表SoC
ARM Cortex-M（M0〜M85）nRF52/53/91、STM32全系、NXP MCX
ARM Cortex-Ai.MX RT系（MPUモード）
RISC-VGD32VF103、ESP32-C3/C6
XtensaESP32、ESP32-S2/S3
x86Intel Quark（レガシー）、シミュレーション用
ARC（Synopsys）IoTセンサーハブ向け

組み込みプロトコルスタック

Zephyrが標準で提供するプロトコルスタックは非常に豊富です：

通信プロトコルスタック：
・Bluetooth Classic / BLE（HCI / L2CAP / GATT / GAP）
・IEEE 802.15.4 / OpenThread（Threadプロトコル）
・Matter（旧Project CHIP）
・Wi-Fi（ESP32など特定SoC）
・USB（Device / Host）
・CAN / CAN-FD
・Ethernet / TCP/IPv4/IPv6 / MQTT / CoAP / HTTP / WebSocket
・LTE-M / NB-IoT（モデム制御ライブラリ）

ビルドシステム（CMake + west）

ZephyrはCMakeをビルドシステムに採用し、west（ウェスト）と呼ばれるメタツールでリポジトリ管理・ビルド・フラッシュを統合しています：

# Zephyr開発環境セットアップ（基本的な流れ）
pip install west
west init ~/zephyrproject
west update
west zephyr-export
pip install -r ~/zephyrproject/zephyr/scripts/requirements.txt

# ビルドとフラッシュ
west build -b nrf52840dk/nrf52840 samples/bluetooth/peripheral_hr
west flash

デバイスツリーによるHW抽象化

Zephyrはデバイスツリー（.dts / .overlay）でハードウェア構成を定義します：

/* boards/arm/nrf52840dk_nrf52840/nrf52840dk_nrf52840.dts（抜粋） */
&uart0 {
    compatible = "nordic,nrf-uarte";
    status = "okay";
    current-speed = <115200>;
    pinctrl-0 = <&uart0_default>;
    pinctrl-names = "default";
};

&i2c0 {
    compatible = "nordic,nrf-twim";
    status = "okay";
    pinctrl-0 = <&i2c0_default>;
    sda-pin = <26>;
    scl-pin = <27>;
    clock-frequency = <I2C_BITRATE_FAST>; /* 400kHz */
};

アプリケーションからはDeviceツリーマクロで取得：

#include <zephyr/device.h>
#include <zephyr/drivers/i2c.h>

const struct device *i2c_dev = DEVICE_DT_GET(DT_NODELABEL(i2c0));

Kconfig による機能選択

LinuxカーネルのKconfigをベースにした設定システムで、使用する機能を細かく制御できます：

# prj.conf（プロジェクト設定ファイル）
CONFIG_BT=y                     # Bluetooth有効
CONFIG_BT_PERIPHERAL=y          # BLEペリフェラル動作
CONFIG_BT_GATT_CLIENT=y         # GATTクライアント
CONFIG_LOG=y                    # ログ機能
CONFIG_LOG_DEFAULT_LEVEL=3      # ログレベル（INFO）
CONFIG_UART_CONSOLE=y           # UARTコンソール
CONFIG_STACK_SENTINEL=y         # スタック監視
CONFIG_THREAD_ANALYZER=y        # スレッド状態分析

動作原理

カーネルアーキテクチャ

Zephyrのカーネルはプリエンプティブ・スレッドスケジューラとコープラティブスレッドの両方をサポートします。スレッドは優先度0〜14（高→低）で設定し、同優先度はタイムスライスで実行されます。

/* Zephyr スレッド生成例 */
#define STACK_SIZE 1024
K_THREAD_STACK_DEFINE(my_stack, STACK_SIZE);
struct k_thread my_thread_data;

void my_thread_func(void *arg1, void *arg2, void *arg3) {
    while (1) {
        /* 処理 */
        k_sleep(K_MSEC(100)); /* 100ms待機 */
    }
}

/* スレッド生成 */
k_thread_create(&my_thread_data, my_stack,
    K_THREAD_STACK_SIZEOF(my_stack),
    my_thread_func, NULL, NULL, NULL,
    5,      /* 優先度 */
    0,      /* オプション */
    K_NO_WAIT);

メッセージキューとシグナル

Zephyrではセマフォ・ミューテックス・メッセージキュー・イベントフラグなど豊富な同期機構を提供します：

/* メッセージキュー */
K_MSGQ_DEFINE(sensor_msgq, sizeof(int32_t), 10, 4);

/* 送信側（センサータスク） */
int32_t temp = read_sensor();
k_msgq_put(&sensor_msgq, &temp, K_FOREVER);

/* 受信側（処理タスク） */
int32_t received;
k_msgq_get(&sensor_msgq, &received, K_FOREVER);

電源管理

ZephyrはPower Management（PM）フレームワークを持ち、アイドル時のスリープ状態遷移を自動管理します：

/* pm_policy で電源状態を設定 */
CONFIG_PM=y
CONFIG_PM_DEVICE=y
/* アイドル時に自動でsuspendに移行 */

用途・ユースケース

BLE IoTデバイス

Nordic nRF52840を使ったBLEセンサーノードは、Zephyrの最も一般的なユースケースです。nRF ConnectSDKはZephyrをベースに構築されており、BluetoothスタックはZephyrに統合されています。

Thread / Matter スマートホーム

Matter・Threadデバイスの公式リファレンス実装はZephyrを使用しています。Nordic nRF Thread Border RouterもZephyrベースです。

産業IoT・エッジゲートウェイ

CAN / Modbusといった産業プロトコルとLTE-M・BLEを組み合わせたゲートウェイ機器でZephyrの採用が増えています。

ウェアラブル・ヘルスケア

心拍・SpO2センサーとBLE GATTで健康データをスマートフォンに送信するデバイスで、Zephyrの省電力機能と豊富なBLEスタックが活用されます。

実装・開発のポイント

Westワークスペースのセットアップ

# マニフェストリポジトリ（アプリ）とZephyrを分離管理する構成
my-app/
├── CMakeLists.txt
├── prj.conf
├── src/
│   └── main.c
└── west.yml     # Zephyrへの依存を定義

ボードオーバーレイによるカスタマイズ

/* boards/nrf52840dk_nrf52840.overlay（アプリ専用DTS追加） */
&i2c0 {
    bme280@76 {
        compatible = "bosch,bme280";
        reg = <0x76>;
    };
};

デバッグとトレース

Zephyrには組み込みのロギング・シェル・スレッドアナライザが統合されています：

# Zephyrシェルでスレッド状態確認（ターミナルで操作）
uart:~$ kernel threads
Scheduler: 1 since last call
Threads:
*0x20001234 my_thread    (ready)   prio:5    stack(208/1024)
 0x20001500 sysworkq      (sleeping) prio:-1   stack(88/1024)
 0x200010a0 idle          (ready)   prio:15   stack(56/256)

他技術との比較

Zephyr vs FreeRTOS

FreeRTOSはシンプルさと成熟度が強みで、既存のHALやSDKとの組み合わせが容易です。ZephyrはフルスタックのOSとして統合的な開発体験を提供しますが、学習コストは高めです。

項目ZephyrFreeRTOS
ドライバ統合統合（devicetree + driver model）別途HAL使用
ビルドシステムCMake + west（統一）IDE依存（多様）
プロトコルスタック標準統合（BLE/Thread/Matter等）サードパーティ
サポートボード500以上（公式）数百（ポート依存）
学習コスト高い低〜中
セキュリティ機能TF-M / PSA統合別途実装

Zephyr vs 組み込みLinux

組み込みLinuxはMMU付きのARM Cortex-Aクラス以上のSoCを前提とし、数十MB以上のRAMを必要とします。ZephyrはRAM数MB以下のCortex-M系MCUが主なターゲットであり、用途は重なりません。ただし近年、ZephyrをCortex-Aで動かすケースも増えています。

関連用語

RTOS（リアルタイムOS） FreeRTOS TOPPERS / ITRON ベアメタル デバイスツリー デバイスドライバ カーネル マイコン（MCU） BLE（Bluetooth Low Energy） Wi-Fi Matter Thread OTA（無線アップデート） セキュアブート

参考リンク

Zephyr Project 公式サイト Zephyr GitHub リポジトリ Zephyr ドキュメント
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