Criando um Projeto Zephyr RTOS no Arduino DUE – Guia Completo e Didático

1. Introdução: por que usar Zephyr no Arduino DUE

O Zephyr Project é um sistema operacional de tempo real (RTOS – Real-Time Operating System) moderno, modular e altamente configurável, projetado para sistemas embarcados que exigem previsibilidade temporal, portabilidade e escalabilidade. Diferente do ecossistema Arduino tradicional — baseado em superloop e bibliotecas monolíticas — o Zephyr oferece um modelo arquitetural profissional, alinhado a práticas industriais, como device tree, Kconfig, CMake e um kernel preemptivo completo.

O Arduino DUE ocupa um espaço interessante nesse contexto. Baseado no microcontrolador Atmel/Microchip SAM3X8E, um ARM Cortex-M3 de 32 bits operando a 84 MHz, ele oferece recursos raros no “mundo Arduino”: barramento externo, controlador DMA (Direct Memory Access), múltiplas UARTs, SPI, TWI (I²C – Inter-Integrated Circuit), além de USB nativo (USB OTG). Esses recursos fazem do DUE uma excelente plataforma didática para aprender Zephyr em um hardware amplamente conhecido.

Neste artigo, você aprenderá passo a passo, de forma minuciosa, como criar um projeto Zephyr totalmente funcional para o Arduino DUE, utilizando todos os recursos documentados oficialmente pela fundação Zephyr para essa placa. O foco não será apenas “compilar e rodar”, mas entender a arquitetura do projeto, as decisões de configuração e o papel de cada arquivo envolvido.

2. Visão geral do suporte do Zephyr ao Arduino DUE

Antes de escrever qualquer linha de código, é fundamental entender como o Zephyr enxerga o Arduino DUE. No Zephyr, placas não são tratadas como “kits genéricos”, mas como descrições formais de hardware, compostas por:

• Board Definition: define CPU, clock, memória e periféricos básicos
• Device Tree (DTS): descreve os dispositivos de hardware de forma declarativa
• Kconfig da placa: habilita ou restringe funcionalidades do kernel
• Arquivos de build: integram a placa ao sistema CMake do Zephyr

No caso do Arduino DUE, o Zephyr fornece oficialmente:

• Arquivo de board baseado no SAM3X8E
• Mapeamento correto de pinos compatível com o layout do DUE
• Suporte a:
  • GPIO (General Purpose Input/Output)
  • UART (console serial)
  • SPI
  • I²C (TWI no SAM)
  • Temporizadores e SysTick
• Programação via porta USB de programação (a mesma usada com o bossac)

Isso significa que não é necessário criar uma placa customizada para começar: o Arduino DUE já está plenamente integrado ao ecossistema Zephyr.

3. Pré-requisitos do ambiente de desenvolvimento

Antes de criar o projeto, o ambiente Zephyr precisa estar corretamente instalado. Assumiremos aqui que você já leu os artigos anteriores da série e possui:

• Linux (Ubuntu 22.04 ou superior recomendado)
• Python 3.10+
• west (ferramenta de meta-build do Zephyr)
• Zephyr SDK instalada
• Toolchain ARM embarcada funcional

Para validar rapidamente se o ambiente está correto, execute:

west --version

west --version

E depois:

west boards | grep due

west boards | grep due

Se o ambiente estiver correto, você verá a placa arduino_due listada entre as placas suportadas. Esse comando é extremamente importante: ele confirma que o Zephyr reconhece oficialmente o Arduino DUE no seu workspace.

4. Estrutura recomendada de workspace

Um erro comum entre iniciantes é misturar código de aplicação com o repositório do Zephyr. A abordagem correta é usar um workspace limpo, com a seguinte estrutura conceitual:

zephyr-workspace/
├── zephyr/              # Código-fonte do Zephyr RTOS
├── modules/             # Módulos externos (opcional)
├── bootloader/          # Bootloaders (opcional)
└── arduino_due_app/     # SUA aplicação

zephyr-workspace/
├── zephyr/              # Código-fonte do Zephyr RTOS
├── modules/             # Módulos externos (opcional)
├── bootloader/          # Bootloaders (opcional)
└── arduino_due_app/     # SUA aplicação

Dentro da pasta arduino_due_app, ficará apenas o código da aplicação, sem dependências diretas do kernel. Essa separação é crucial para manter o projeto sustentável e escalável.

5. Criando o projeto do zero para o Arduino DUE

Agora vamos criar efetivamente o projeto.

5.1 Criando o diretório da aplicação

mkdir arduino_due_app
cd arduino_due_app

mkdir arduino_due_app
cd arduino_due_app

5.2 Estrutura mínima de um projeto Zephyr

Crie a seguinte estrutura inicial:

arduino_due_app/
├── CMakeLists.txt
├── prj.conf
└── src/
    └── main.c

arduino_due_app/
├── CMakeLists.txt
├── prj.conf
└── src/
    └── main.c

Essa é a estrutura mínima obrigatória para qualquer aplicação Zephyr.

6. Arquivo CMakeLists.txt: integração com o Zephyr

Crie o arquivo CMakeLists.txt com o conteúdo:

cmake_minimum_required(VERSION 3.20.0)

find_package(Zephyr REQUIRED HINTS $ENV{ZEPHYR_BASE})
project(arduino_due_app)

target_sources(app PRIVATE src/main.c)

cmake_minimum_required(VERSION 3.20.0)

find_package(Zephyr REQUIRED HINTS $ENV{ZEPHYR_BASE})
project(arduino_due_app)

target_sources(app PRIVATE src/main.c)

O que esse arquivo faz, exatamente?

• cmake_minimum_required: garante compatibilidade mínima do CMake
• find_package(Zephyr ...): importa todo o sistema de build do Zephyr
• project(...): define o nome lógico do projeto
• target_sources(...): registra os arquivos C da aplicação

Aqui ocorre algo importante: você não define compilador, flags ou linker script. Tudo isso é herdado automaticamente da definição da placa (arduino_due) e do kernel.

7. Arquivo prj.conf: configuração do kernel (Kconfig)

O prj.conf controla quais partes do kernel Zephyr serão compiladas.

Comece com o mínimo funcional:

CONFIG_PRINTK=y
CONFIG_SERIAL=y
CONFIG_CONSOLE=y
CONFIG_UART_CONSOLE=y

CONFIG_PRINTK=y
CONFIG_SERIAL=y
CONFIG_CONSOLE=y
CONFIG_UART_CONSOLE=y

Essas opções habilitam:

• printk() – saída básica de debug
• Driver de porta serial
• Console padrão via UART

No Arduino DUE, isso será mapeado automaticamente para a UART correta definida no device tree da placa.

8. Arquivo main.c: primeira aplicação

Crie src/main.c:

#include <zephyr/kernel.h>
#include <zephyr/sys/printk.h>

int main(void)
{
    printk("Zephyr rodando no Arduino DUE!\n");

    while (1) {
        printk("Tick\n");
        k_sleep(K_SECONDS(1));
    }

    return 0;
}

#include <zephyr/kernel.h>
#include <zephyr/sys/printk.h>

int main(void)
{
    printk("Zephyr rodando no Arduino DUE!\n");

    while (1) {
        printk("Tick\n");
        k_sleep(K_SECONDS(1));
    }

    return 0;
}

Conceitos importantes aqui

• #include <zephyr/kernel.h>: acesso ao kernel, threads e temporização
• printk(): saída síncrona simples (não é printf)
• k_sleep(): API de temporização do kernel
• main() existe, mas não é o ponto de entrada real — o kernel já está inicializado antes dela ser chamada

9. Compilando o projeto para o Arduino DUE

Agora vem a parte crítica: build correto para a placa certa.

Dentro da pasta arduino_due_app:

west build -b arduino_due

west build -b arduino_due

O Zephyr irá:

1. Ler a definição da placa Arduino DUE
2. Selecionar o SoC SAM3X8E
3. Configurar clocks, memória e periféricos
4. Gerar o firmware final

Se tudo estiver correto, o build terminará sem erros.

10. Gravando o firmware no Arduino DUE

O Arduino DUE utiliza o bootloader SAM-BA, compatível com a ferramenta bossac.

Com a placa conectada via porta USB de programação, execute:

west flash

west flash

O Zephyr cuidará automaticamente do processo de gravação usando o método correto definido para a placa.

Após o reset, abra um terminal serial:

minicom -D /dev/ttyACM0 -b 115200

minicom -D /dev/ttyACM0 -b 115200

Você deverá ver:

Zephyr rodando no Arduino DUE!
Tick
Tick
Tick

Zephyr rodando no Arduino DUE!
Tick
Tick
Tick

11. Próximos passos

A partir daqui, você já tem:

• Um projeto Zephyr funcional
• Build e flash corretamente configurados
• Console serial ativo
• Base sólida para evoluir

Nos próximos artigos, podemos avançar para:

• Device Tree do Arduino DUE em detalhes
• GPIO e LEDs
• UARTs adicionais
• SPI e I²C
• Timers e interrupções
• Multithreading real no Cortex-M3