XIAO ESP32C3 与 Zephyr(RTOS)

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什么是 RTOS

RTOS（实时操作系统）是当今嵌入式系统中最重要的组件之一，负责从任务调度到应用程序执行的所有工作。

RTOS 旨在提供可预测的执行模式。当处理必须满足系统的时间限制时，就会使用 RTOS。因此，与 GPOS（通用操作系统）相比，RTOS 通常重量轻、体积小，通常仅提供运行特定类型应用程序所需的功能。在某些情况下，开发人员可以修改现有的 RTOS，将其缩减为仅提供特定应用程序所需的功能，和/或定制其功能或性能特性。

什么是 Zephyr

Zephyr 操作系统基于一个小型内核设计，适用于资源受限和嵌入式系统：从简单的嵌入式环境传感器和 LED 可穿戴设备到复杂的嵌入式控制器、智能手表和 IoT 无线应用。

特性

Zephyr 提供了大量且不断增长的功能，包括：

广泛的内核服务套件

Zephyr 提供了许多熟悉的开发服务：

多线程服务：支持协作式、基于优先级的、非抢占式和抢占式线程，带有可选的轮询时间片。包括兼容 POSIX pthreads 的 API 支持。
中断服务：支持中断处理程序的编译时注册。
内存分配服务：支持固定大小或可变大小内存块的动态分配和释放。
线程间同步服务：支持二进制信号量、计数信号量和互斥信号量。
线程间数据传递服务：支持基本消息队列、增强消息队列和字节流。
电源管理服务：包括全局、应用程序或策略定义的系统电源管理，以及细粒度、驱动程序定义的设备电源管理。

多种调度算法

Zephyr 提供了全面的线程调度选项：

协作式和抢占式调度
最早截止时间优先（EDF）
Meta IRQ 调度实现“中断底半部”或“任务片”行为
时间片：在具有相同优先级的抢占线程之间启用时间片
多种队列策略：
- 简单链表就绪队列
- 红黑树就绪队列
- 传统多队列就绪队列

支持蓝牙低功耗 5.0

符合蓝牙 5.0 标准（ESR10）并支持蓝牙低功耗控制器（LE 链路层）。包括蓝牙 Mesh 和蓝牙认证准备的蓝牙控制器。

通用访问配置文件（GAP），支持所有可能的 LE 角色
通用属性配置文件（GATT）
配对支持，包括蓝牙 4.2 的安全连接功能
干净的 HCI 驱动抽象
原始 HCI 接口，可将 Zephyr 作为控制器运行，而不是完整的主机堆栈
与多个流行控制器验证
高度可配置

Mesh 支持：

中继、好友节点、低功耗节点（LPN）和 GATT 代理功能
支持两种配置承载（PB-ADV 和 PB-GATT）
高度可配置，适合至少 16k RAM 的设备

参考：Zephyr 项目

入门指南

使用 Zephyr 的第一步是设置 SDK 和工具链以进行本地开发。可以参考 Zephyr 入门指南以获取与您的环境相关的设置步骤。

一旦设置了 Zephyr 工具链并下载了相关 SDK，您就可以开始应用程序开发。

对于 Xiao ESP32C3，可以参考板描述文件以获取进一步的设置信息。

要获取使用 ESP32C3 所需的 blobs，请运行以下命令：

west blobs fetch hal_espressif

完成后，样例可以被构建并烧录到开发板上。

最简单的示例是在开发板上运行 "Hello World" 样例。在切换到 Zephyr 安装目录后，运行以下命令：

west build -p always -b xiao_esp32c3 samples/hello_world
west flash
west espressif monitor

通过最后一个命令，您应该可以看到显示 "Hello World!" 的响应。

*** Booting Zephyr OS build v3.6.0-2566-gc9b45bf4672a ***
Hello World! xiao_esp32c3/esp32c3

为了协助使用 Zephyr 与 Xiao 及其扩展板的过程，这里构建了一个包含多个覆盖和配置的仓库。本文中的命令假设它位于 Zephyr 根目录的 ../applications/xiao-zephyr-examples 路径下。可以通过更新以下命令提供替代路径。

git clone https://github.com/Cosmic-Bee/xiao-zephyr-examples

硬件准备

Seeed Studio XIAO ESP32C3	Seeed Studio 扩展板	Grove 红色 LED

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开发者知识

XIAO 扩展板

为了在 Seeed Studio XIAO ESP32C3 上使用 Grove 模块，我们将使用 Seeed Studio XIAO 扩展基板，并将 XIAO ESP32C3 连接到扩展基板上。

之后，扩展板上的 Grove 接口可以用来连接 Grove 模块。

引脚定义

在将 Grove 模块连接到 Seeed Studio XIAO 的 Grove Shield 上的 Grove 接口时，需要按照下图使用适当的内部引脚编号。

主要功能

GPIO / LED 启用
蓝牙
Wi-Fi
TFLite

GPIO / LED 启用

为了测试此设置，我们可以使用 Zephyr 的 blinky 示例，但我们将使用一个额外的 Grove LED 和一个覆盖文件，将 LED 重定向到 D0 引脚以演示其工作原理（Xiao ESP32C3 没有可编程的板载 LED）：

west build -p always -b xiao_esp32c3 samples/basic/blinky -- -DDTC_OVERLAY_FILE=$(dirname $(pwd))/applications/xiao-zephyr-examples/d0_led.overlay
west flash
west espressif monitor

双击 RESET 或将 RST 引脚短接到 GND。

west flash

您将看到连接的红色 LED 闪烁，产生一个闪烁效果。

让我们深入了解这个示例，看看它为什么有效。

蓝牙

为了测试此设置，我们可以使用 Zephyr 的现有示例：

west build -p always -b xiao_esp32c3 samples/bluetooth/observer
west flash
west espressif monitor

您将看到一个控制台，用于向开发板发送命令：

*** Booting Zephyr OS build v3.6.0-2566-gc9b45bf4672a ***
Starting Observer Demo
Started scanning...
Device found: E5:44:60:88:DB:99 (random) (RSSI -92), type 0, AD data len 27
Device found: F3:38:F3:AD:FC:C6 (random) (RSSI -63), type 3, AD data len 8
Device found: 49:E6:31:0F:A6:25 (random) (RSSI -55), type 2, AD data len 28
Device found: EC:11:27:22:AF:D2 (public) (RSSI -80), type 0, AD data len 31
Device found: FB:3C:4A:AC:64:33 (random) (RSSI -78), type 0, AD data len 30
Device found: 79:05:36:B8:1E:1B (random) (RSSI -34), type 2, AD data len 4
Device found: 77:4D:FC:E2:12:D4 (random) (RSSI -86), type 2, AD data len 4
Device found: E0:9D:13:29:DA:15 (public) (RSSI -99), type 0, AD data len 31
Device found: 53:17:1B:22:70:23 (random) (RSSI -97), type 0, AD data len 18

配置文件中启用了以下内容：

CONFIG_BT=y
CONFIG_BT_OBSERVER=y

配置文件启用了 Zephyr 构建所需的蓝牙相关功能。

Wi-Fi

为了测试此设置，我们可以使用 Zephyr 的现有示例：

west build -p always -b xiao_esp32c3 samples/net/wifi
west flash
west espressif monitor

您将看到一个控制台，用于向开发板发送命令：

*** Booting Zephyr OS build v3.6.0-1155-g1a55caf8263e ***
uart:~$

有多个命令可以查看和连接到本地网络，更多信息请参阅示例 README。

*** Booting Zephyr OS build v3.6.0-2566-gc9b45bf4672a ***
uart:~$ wifi scan
Scan requested
Num  | SSID                             (len) | Chan (Band)   | RSSI | Security        | BSSID             | MFP
1    | Maredonia                        9     | 6    (2.4GHz) | -41  | WPA2-PSK        |                   | Disable
2    | Maredonia                        9     | 6    (2.4GHz) | -41  | WPA2-PSK        |                   | Disable
3    | Aernazonea                       10    | 6    (2.4GHz) | -41  | WPA2-PSK        |                   | Disable
4    | Aernazonea                       10    | 6    (2.4GHz) |

让我们深入了解这个示例，看看它为什么有效：

&wifi {
	status = "okay";
};

应用程序覆盖文件用于设置各种板载组件。通过此文件，示例逻辑可以启用 Wi-Fi。

配置文件中启用了以下内容：

CONFIG_WIFI=y

CONFIG_NETWORKING=y
CONFIG_NET_L2_ETHERNET=y

CONFIG_NET_IPV6=n
CONFIG_NET_IPV4=y
CONFIG_NET_DHCPV4=y
CONFIG_ESP32_WIFI_STA_AUTO_DHCPV4=y

CONFIG_NET_LOG=y

配置文件启用了 Zephyr 构建所需的多个网络相关功能。

TFLite - Hello World

使用 Zephyr 启用 TFLite 并更新：

west config manifest.project-filter -- +tflite-micro
west update

构建示例并将其烧录到开发板：

west build -p always -b xiao_esp32c3 samples/modules/tflite-micro/hello_world
west flash
west espressif monitor

您将在控制台中看到返回的结果：

*** Booting Zephyr OS build v3.6.0-2566-gc9b45bf4672a ***
x_value: 1.0*2^-127, y_value: 1.0*2^-127

x_value: 1.2566366*2^-2, y_value: 1.4910772*2^-2

x_value: 1.2566366*2^-1, y_value: 1.1183078*2^-1

x_value: 1.8849551*2^-1, y_value: 1.677462*2^-1

x_value: 1.2566366*2^0, y_value: 1.9316229*2^-1

x_value: 1.5707957*2^0, y_value: 1.0420598*2^0

x_value: 1.8849551*2^0, y_value: 1.9146791*2^-1

x_value: 1.0995567*2^1, y_value: 1.6435742*2^-1

x_value: 1.2566366*2^1, y_value: 1.0674761*2^-1

x_value: 1.4137159*2^1, y_value: 1.8977352*2^-3

关于 TFLite 的更多信息超出了本指南的范围，但示例可以作为设备功能以及运行 TFLite 设置所需组件的指南。

额外组件

Grove - 扩展板 - I2C 显示屏

为了测试此设置，我们可以使用 Zephyr 的现有示例：

west build -p always -b xiao_esp32c3 samples/drivers/display --  -DSHIELD=seeed_xiao_expansion_board
west flash

你会看到显示屏显示多个黑框以及角落里一个闪烁的框，因为此显示屏仅支持两种颜色。

让我们深入了解这个示例为何有效：

/ {
    chosen {
      zephyr,display = &ssd1306;
    };
};

&xiao_i2c {
  status = "okay";

  ssd1306: ssd1306@3c {
    compatible = "solomon,ssd1306fb";
    reg = <0x3c>;
    width = <128>;
    height = <64>;
    segment-offset = <0>;
    page-offset = <0>;
    display-offset = <0>;
    multiplex-ratio = <63>;
    segment-remap;
    com-invdir;
    prechargep = <0x22>;
  };
};

扩展板在 0x3C 寄存器处设置了 SSD1306 OLED 屏幕。在 chosen 部分中，它被选择为 Zephyr 的显示屏。

Grove - 扩展板 - 按钮

为了测试此设置，我们可以使用 Zephyr 的现有示例，但我们会使用额外的 Grove LED 和一个覆盖文件，将 LED 重定义到 D0 引脚，以展示其工作原理（Xiao ESP32C3 没有可编程的板载 LED）：

west build -p always -b xiao_esp32c3 samples/basic/button -- -DSHIELD=seeed_xiao_expansion_board -DDTC_OVERLAY_FILE=$(dirname $(pwd))/applications/xiao-zephyr-examples/d0_led.overlay
west flash
west espressif monitor

按下按钮时，示例会触发与 D0 相关联的 LED 点亮。

你会看到控制台返回的结果：

*** Booting Zephyr OS build v3.6.0-2566-gc9b45bf4672a ***
Set up button at gpio@60004000 pin 3
Set up LED at gpio@60004000 pin 2
Press the button
Button pressed at 39818120
Button pressed at 63872629
Button pressed at 168304681
Button pressed at 241105558
Button pressed at 346324767
Button pressed at 382181856
Button pressed at 419342954

让我们深入了解这个示例为何有效：

/ {
    aliases {
      sw0 = &xiao_button0;
    };

    buttons {
      compatible = "gpio-keys";
      xiao_button0: button_0 {
        gpios = <&xiao_d 1 (GPIO_PULL_UP | GPIO_ACTIVE_LOW)>;
        label = "SW0";
        zephyr,code = <INPUT_KEY_0>;
      };
    };
};

扩展板 / 覆盖文件用于设置各种板组件。使用此文件，按钮示例可以被利用，因为覆盖文件允许 Zephyr 配置按钮并使其可用于相关代码。

在此示例中，Xiao ESP32C3 的 D1 被设置为按钮，并通过覆盖文件别名为 sw0，以便用于代码中需要此名称的示例。

如上所示，LED 示例也通过其覆盖文件进行了配置。现在按钮与 LED 相关联，按下按钮会点亮该 LED。

Grove - 扩展板 - 蜂鸣器

我们将使用 blinky PWM 示例通过 PWM 信号控制蜂鸣器的激活。为此，我们将使用一个自定义覆盖文件，该文件为 A3 引脚启用了 PWM。

cd ~/zephyrproject/zephyr
west build -p always -b xiao_esp32c3 samples/basic/blinky_pwm -- -DDTC_OVERLAY_FILE="$(dirname $(pwd))/applications/xiao-zephyr-examples/xiao-esp32c3/xiao_expansion_buzzer.overlay"
west flash

烧录后，你应该会听到一系列的蜂鸣声，随着示例运行声音会发生变化。

让我们看看为什么它有效：

#include <zephyr/dt-bindings/pwm/pwm.h>

/ {
	aliases {
		pwm-0 = &ledc0;
		pwm-led0 = &pwm_buzzer;
	};

	pwmleds {
		compatible = "pwm-leds";
		pwm_buzzer: pwm_led_gpio0_5 {
			label = "PWM LED0";
			pwms = <&ledc0 0 1000 PWM_POLARITY_NORMAL>;
		};
	};
};

&pinctrl {
	ledc0_default: ledc0_default {
		group1 {
			pinmux = <LEDC_CH0_GPIO5>;
			output-enable;
		};
	};
};

&ledc0 {
	pinctrl-0 = <&ledc0_default>;
	pinctrl-names = "default";
	status = "okay";
	#address-cells = <1>;
	#size-cells = <0>;
	channel0@0 {
		reg = <0x0>;
		timer = <0>;
	};
};

覆盖文件为引脚 5 配置了 PWM 逻辑，该引脚对应于 ESP32C3 引脚图中的 A3 引脚。

Grove - 扩展板 - SD 卡

我们将在这里使用文件系统示例以及 Xiao 扩展板屏蔽来尝试通过 SPI 与 SD 卡读取器进行交互。扩展板屏蔽已为相关的 &xiao_d 2 引脚配置了 CS 引脚，因此除了添加屏蔽外，你无需为板关联此功能做任何工作。为了进一步准备，我们使用了一个启用 SD 卡功能的自定义配置。

cd ~/zephyrproject/zephyr
west build -p always -b xiao_esp32c3 samples/subsys/fs/fs_sample -- -DEXTRA_CONF_FILE="$(dirname $(pwd))/applications/xiao-zephyr-examples/xiao_expansion_sd.conf" -DSHIELD=seeed_xiao_expansion_board

现在进行烧录和监控：

west flash
west espressif monitor

你应该会看到类似以下的响应：

*** Booting Zephyr OS build v3.6.0-2566-gc9b45bf4672a ***
[00:00:00.032,000] <inf> sd: Maximum SD clock is under 25MHz, using clock of 24000000Hz
[00:00:00.033,000] <inf> main: Block count 15519744
Sector size 512
Memory Size(MB) 7578
Disk mounted.
Listing dir /SD: ...
[FILE] IMAGE1.JPG (size = 58422)
[FILE] IMAGE2.JPG (size = 97963)

在这个例子中，我的 SD 卡中有两个文件。它们的名称和大小被输出到了我的控制台。

让我们来看看这里涉及的相关元素：

CONFIG_SPI=y
CONFIG_DISK_DRIVER_SDMMC=y
CONFIG_GPIO=y

在相关的配置中，我们启用了 SPI、SDMMC 磁盘驱动程序和 GPIO。如果没有这些配置，覆盖文件会导致错误，因为示例无法找到 SD 卡。

以下是 Xiao 扩展板相关部分的配置：

&xiao_spi {
	status = "okay";
	cs-gpios = <&xiao_d 2 GPIO_ACTIVE_LOW>;

	sdhc0: sdhc@0 {
		compatible = "zephyr,sdhc-spi-slot";
		reg = <0>;
		status = "okay";
		mmc {
			compatible = "zephyr,sdmmc-disk";
			status = "okay";
		};
		spi-max-frequency = <24000000>;
	};
};

如前所述，&xiao_d 2 引脚映射用于允许选择 D2 引脚，无论使用的是什么板子，只要它支持 &xiao_d 引脚设置即可。

Grove - 温湿度传感器 (SHT31)

首先焊接引脚并将 Xiao ESP32C3 连接到扩展板。然后将 Grove 连接器电缆连接在 Grove SHT31 和扩展板上的一个 I2C 端口之间。

为了测试这个设置，我们可以使用 Zephyr 的一个现有示例：

west build -p always -b xiao_esp32c3 samples/sensor/sht3xd -- -DDTC_OVERLAY_FILE=$(dirname $(pwd))/applications/xiao-zephyr-examples/sht31.overlay
west flash
west espressif monitor

你将在控制台中看到返回的结果：

*** Booting Zephyr OS build v3.6.0-2566-gc9b45bf4672a ***
SHT3XD: 25.92 Cel ; 53.37 %RH
SHT3XD: 25.97 Cel ; 54.37 %RH
SHT3XD: 26.00 Cel ; 54.43 %RH
SHT3XD: 26.02 Cel ; 54.11 %RH
SHT3XD: 26.03 Cel ; 53.33 %RH
SHT3XD: 26.02 Cel ; 52.88 %RH
SHT3XD: 26.04 Cel ; 52.12 %RH
SHT3XD: 26.07 Cel ; 51.87 %RH
SHT3XD: 26.13 Cel ; 52.81 %RH

让我们深入研究这个示例，看看它为什么能工作：

 &xiao_i2c {
	sht3xd@44 {
			compatible = "sensirion,sht3xd";
			reg = <0x44>;
		};
	};

应用覆盖文件用于设置各种板载组件。通过这个文件，SHT31 示例可以被利用，因为覆盖文件告诉示例逻辑如何为我们的板子配置传感器。

1.69 英寸 LCD 显示模块，240×280 分辨率，SPI 接口

在这个例子中，我们将使用 SPI 连接到一个 240x280 分辨率的 1.69 英寸 LCD。

首先按照以下图片的指导，将你的板子连接到 LCD 屏幕（在这个例子中，我们使用 Xiao ESP32C3，但连接的引脚布局是相同的）。

1.69 英寸 LCD SPI 显示屏	XIAO ESP32C3
VCC	3V3
GND	GND
DIN	D10
CLK	D8
CS	D1
DC	D3
RST	D0
BL	D6

现在我们可以构建并烧录固件：

cd ~/zephyrproject/zephyr
west build -p always -b xiao_esp32c3 samples/drivers/display -- -DDTC_OVERLAY_FILE=$(dirname $(pwd))/applications/xiao-zephyr-examples/240x280_st7789v2.overlay -DEXTRA_CONF_FILE=$(dirname $(pwd))/applications/xiao-zephyr-examples/240x280_st7789v2.conf
west flash

烧录新固件后，设备现在会显示我们之前在扩展板上看到的相同演示屏幕，只是现在更新为通过 SPI 的彩色 LCD。

Xiao 圆形显示屏

为了测试这个设置，我们可以使用 Zephyr 的一个现有示例：

west build -p always -b xiao_esp32c3 samples/drivers/display --  -DSHIELD=seeed_xiao_round_display

进入引导模式并烧录设备：

west flash

你会看到一个显示屏，显示多个彩色角块，其中一个黑色角块会闪烁。

另一个示例展示了触摸屏的使用：

west build -p always -b xiao_esp32c3 samples/modules/lvgl/demos --  -DSHIELD=seeed_xiao_round_display -DCONFIG_LV_Z_DEMO_MUSIC=y

这里展示的音乐演示只是实际屏幕的一部分，但仍然展示了触摸屏的功能。你可以看到，点击播放按钮会启动音乐动画。

从屏蔽文件可以看出，这通过 SPI 接口与 GC9A01 圆形显示驱动程序以及通过 I2C 接口与 CHSC6X 触摸模块进行交互。

让我们深入研究这个示例，看看它是如何工作的：

/ {
    chosen {
      zephyr,display = &gc9a01_xiao_round_display;
    };

	lvgl_pointer {
		compatible = "zephyr,lvgl-pointer-input";
		input = <&chsc6x_xiao_round_display>;
	};
};

/*
 * xiao_serial 使用 Xiao 的 D6 和 D7 引脚，这些引脚分别用于
 * 控制屏幕背光和作为触摸控制器中断。
 */
&xiao_serial {
	status = "disabled";
};

&xiao_i2c {
	clock-frequency = < I2C_BITRATE_FAST >;

	chsc6x_xiao_round_display: chsc6x@2e {
		status = "okay";
		compatible = "chipsemi,chsc6x";
		reg = <0x2e>;
		irq-gpios = <&xiao_d 7 GPIO_ACTIVE_LOW>;
	};
};

&xiao_spi {
	status = "okay";
	cs-gpios = <&xiao_d 1 GPIO_ACTIVE_LOW>, <&xiao_d 2 GPIO_ACTIVE_LOW>;

	gc9a01_xiao_round_display: gc9a01@0 {
		status = "okay";
		compatible = "galaxycore,gc9x01x";
		reg = <0>;
		spi-max-frequency = <DT_FREQ_M(100)>;
		cmd-data-gpios = <&xiao_d 3 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
		pixel-format = <PANEL_PIXEL_FORMAT_RGB_565>;
		width = <240>;
		height = <240>;
		display-inversion;
	};
};

该扩展板执行以下操作：

选择 GC9A01 显示屏作为 Zephyr 的指定显示屏
设置 LVGL 指针逻辑以使用 CHSC6X 模块
禁用串口通信，因为引脚被用于背光和触摸中断（如上所示，通过：irq-gpios = <&xiao_d 7 GPIO_ACTIVE_LOW>;）
配置圆形显示屏通过 SPI 使用 D1、D2 和 D3 引脚

示例逻辑依赖于LVGL 演示示例代码，可以进一步研究。

✨ 贡献者项目

该项目由 Seeed Studio 贡献者项目支持。
感谢 Tim 的努力，您的工作将被展示。

技术支持与产品讨论

感谢您选择我们的产品！我们致力于为您提供多种支持，以确保您使用我们的产品时获得顺畅的体验。我们提供多种沟通渠道，以满足不同的偏好和需求。

什么是 RTOS​

什么是 Zephyr​

特性​

广泛的内核服务套件​

多种调度算法​

支持蓝牙低功耗 5.0​

入门指南​

硬件准备​

开发者知识​

XIAO 扩展板​

引脚定义​

主要功能​

GPIO / LED 启用​

蓝牙​

Wi-Fi​

TFLite - Hello World​

额外组件​

Grove - 扩展板 - I2C 显示屏​

Grove - 扩展板 - 按钮​

Grove - 扩展板 - 蜂鸣器​

Grove - 扩展板 - SD 卡​

Grove - 温湿度传感器 (SHT31)​

1.69 英寸 LCD 显示模块，240×280 分辨率，SPI 接口​

Xiao 圆形显示屏​

✨ 贡献者项目​

技术支持与产品讨论​

什么是 RTOS

什么是 Zephyr

特性

广泛的内核服务套件

多种调度算法

支持蓝牙低功耗 5.0

入门指南

硬件准备

开发者知识

XIAO 扩展板

引脚定义

主要功能

GPIO / LED 启用

蓝牙

Wi-Fi

TFLite - Hello World

额外组件

Grove - 扩展板 - I2C 显示屏

Grove - 扩展板 - 按钮

Grove - 扩展板 - 蜂鸣器

Grove - 扩展板 - SD 卡

Grove - 温湿度传感器 (SHT31)

1.69 英寸 LCD 显示模块，240×280 分辨率，SPI 接口

Xiao 圆形显示屏

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