Introdução
O mundo dos sistemas embarcados evolui rapidamente, e com ele, a necessidade de sistemas operacionais embarcados que sejam validados, de boa qualidade e escaláveis. Esses sistemas, conhecidos como Sistemas Operacionais de Tempo Real (RTOS), são fundamentais em aplicações onde a precisão temporal é crítica, como em dispositivos médicos, automotivos e aviônicos, por exemplo. Além disso, eles também são amplamente usados em aplicações menos críticas também, devido a sua capacidade de gerenciar recursos computacionais dos microcontroladores e de executar múltiplas tarefas, dando a impressão de paralelismo entre elas.
Três dos RTOS mais populares e amplamente utilizados atualmente são: FreeRTOS, Zephyr RTOS e NuttX. Cada um desses sistemas apresenta características únicas que os tornam adequados para diferentes cenários de aplicação. Neste artigo, eu exploro esses três sistemas operacionais de tempo real, discutindo suas origens, arquitetura e casos de uso.
FreeRTOS
O FreeRTOS é um dos sistemas operacionais de tempo real mais populares e amplamente adotados no mundo em projetos de pequeno, médio e grande porte. Criado por Richard Barry em 2003, ele é conhecido por sua simplicidade e facilidade de integração. O FreeRTOS foi projetado para ser um RTOS pequeno, de fácil portabilidade e com um núcleo de código reduzido, o que o torna ideal para microcontroladores com recursos limitados.
A arquitetura do FreeRTOS é baseada em um kernel de preempção cooperativa ou preemptiva, o que permite uma gestão eficaz de tarefas com diferentes prioridades. Além disso, o sistema oferece suporte a filas, semáforos e mutexes, ferramentas cruciais para a sincronização e comunicação entre tarefas. Uma das grandes vantagens do FreeRTOS é sua vasta comunidade e documentação, o que facilita a resolução de problemas e o aprendizado para novos desenvolvedores.
Entretanto, é preciso estar ciente que o FreeRTOS não fornece drivers e vasto suporte a periféricos. Ou seja, em essência, ele é um scheduler de tarefas e gerenciador de recursos computacionais do microcontrolador que o executará, ficando a cargo do desenvolvedor implementar e integrar em seu projeto os drivers necessários.
O FreeRTOS é amplamente utilizado em aplicações como dispositivos IoT, sistemas de automação residencial e equipamentos industriais. Sua licença permissiva e sua capacidade de operar em ambientes com recursos computacionais muito limitados e sua flexibilidade em rodar nas mais diversas famílias de microcontroladores fazem dele uma escolha preferida para muitos desenvolvedores de sistemas embarcados.
Zephyr RTOS
O Zephyr RTOS é um sistema operacional de tempo real de código aberto hosteado pela Linux Foundation. Lançado no ano de 2016, o Zephyr RTOS é projetado para ser um RTOS escalável e modular, capaz de atender a uma ampla gama de dispositivos, desde sensores de baixa potência até sistemas embarcados mais complexos. Ele herda muitos subsistemas, modularidade e características do projeto do Kernel Linux, portanto se você for um desenvolvedor que trabalha com Linux, vai se sentir bastante confortável e “em casa” ao trabalhar com o Zephyr RTOS.
Uma das características mais importantes do Zephyr RTOS é a sua arquitetura modular, que permite aos desenvolvedores escolher apenas os módulos necessários para sua aplicação, reduzindo assim o consumo de recursos computacionais. Em resumo, construir soluções de software embarcado com o Zephyr RTOS – assim como no Linux embarcado – é como brincar de Lego, onde cada módulo e funcionalidade é isolada.
O Zephyr também oferece suporte a uma ampla gama de arquiteturas de processadores e periféricos, além de contar com uma infraestrutura de segurança robusta, incluindo suporte para criptografia e gerenciamento de chaves.
O sistema de build do Zephyr RTOS, baseado em CMake e o gerenciador de projetos West, proporciona uma experiência de desenvolvimento bastante escalável e eficiente, sendo possível com poucas adaptações e comandos compilar uma mesma solução para vários targets (microcontroladores) distintos. O suporte ativo da comunidade de desenvolvedores e as contribuições constantes de grandes fabricantes (Nordic Semiconductor, por exemplo), fazem com que o Zephyr RTOS esteja sempre atualizado e alinhado às necessidades do mercado de software embarcado.
Zephyr RTOS é frequentemente considerado uma das melhroes opções de sistema operacional embarcado para para soluções em Internet das Coisas, dispositivos portáteis e wearables, onde a segurança, a flexibilidade e a escalabilidade são pontos cruciais. Sua adesão crescente no mercado e a colaboração com grandes empresas de tecnologia tornam o Zephyr RTOS uma das principais escolhas quando o assunto é RTOS para uma solução escalável.
NuttX
O NuttX é um RTOS de código aberto que é compatível com o padrão POSIX, proporcionando uma experiência similar à de um sistema com Linux embarcado. Criado por Gregory Nutt, o NuttX foi projetado para ser altamente configurável e flexível, permitindo aos desenvolvedores ajustar o sistema conforme as necessidades específicas do projeto.
A conformidade com POSIX é um dos maiores atrativos do NuttX, facilitando a portabilidade de aplicações entre sistemas diferentes e permitindo o uso de bibliotecas e ferramentas familiares aos desenvolvedores acostumados ao Linux embarcado. Além disso, o NuttX oferece suporte a uma ampla gama de dispositivos, desde microcontroladores simples até SoCs mais completos, partindo de targets de 8 bits até 64 bits.
O NuttX também é conhecido por seu núcleo eficiente e seu conjunto abrangente de funcionalidades, incluindo suporte para sistemas de arquivos, rede, áudio e GUI. Essas características tornam o NuttX uma escolha popular para aplicações em sistemas de automação, robótica e eletrônica de consumo, sendo adotado por grandes fabricantes destes ramos, como a Sony e a Xiaomi, por exemplo.
Conclusão
Projetos de sistemas embarcados confiáveis exigem software embarcado bem feito, e uma das melhores maneiras de ter isso é contar com um sistema operacional embarcado. As principais opções de sistemas operacionais de tempo real disponíveis atualmente – FreeRTOS, Zephyr RTOS e NuttX – oferecem soluções variadas e adaptáveis a diferentes necessidades de projeto, desde dispositivos IoT até sistemas de automação industrial. Para um profissional de desenvolvimento de software embarcado, é fundamental conhecer os RTOS, e um excelente ponto de partida é aprender mais sobre o FreeRTOS, Zephyr RTOS e NuttX.
Indicações de hardware para praticar
Segue abaixo algumas indicações de kits de desenvolvimentos ideais para aprender a utilizar o FreeRTOS, NuttX e Zephyr RTOS:
- Placa ESP32 Dev Kit V1 + Cabo micro USB
- Placa STM32 NUCLEO-L476RG
- Placa STM32F103C6T6
- Placa Raspberry Pi Pico
- Placa ESP32-C3
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