Zephyr RTOS بعد عشر سنوات من التطوير، أصبح منصة بيئية مدمجة ناضجة ومفتوحة المصدر

مؤلف المقال، المصدر: عالم الهندسة الإلكترونية

قبل عشر سنوات، أطلق مجموعة من المهندسين من شركات مثل Intel وWind River وNXP وSynopsys Zephyr RTOS في مؤتمر Embedded World — نظام تشغيل زمني حقيقي (RTOS) مبسط، مفتوح المصدر، قابل للنقل، وآمن. في ذلك الوقت، كان حجم نواته يتراوح بين 8 كيلوبايت و512 كيلوبايت، ويمكنه العمل على أجهزة ذات موارد محدودة جدًا، مع تصميم يركز على الحوكمة المفتوحة والممارسات الأمنية المدمجة. اليوم، تطور Zephyr ليصبح منصة إنتاج عالمية تغطي إنترنت الأشياء (IoT) من المستشعرات البسيطة إلى الأنظمة الصناعية المعقدة، ويستهدف مجالات متعددة مثل الإلكترونيات الاستهلاكية والتحكم الصناعي والرعاية الصحية.

منذ البداية، ركز Zephyr على الانفتاح والمرونة: فهو مبني على حوكمة مؤسسة Linux، ومفتوح المصدر، ومحايد من حيث الموردين، ويشجع الشركات والمجتمعات على التعاون في بناء النظام البيئي. مقارنةً بأنظمة التشغيل المغلقة والخاصة، يسمح Zephyr للمطورين باختيار منصات الأجهزة بحرية، ويمكنهم إعادة استخدام نفس مجموعة الكود عبر العديد من الهياكل المعمارية؛ مما يقلل بشكل كبير من العمل المتكرر وتكاليف التطوير بين خطوط المنتجات المختلفة.

بصفته نظام تشغيل مباشر مفتوح المصدر، تحوّل Zephyr خلال عقد واحد فقط من مشروع تجريبي صغير إلى منصة أساسية في صناعة الأجهزة المدمجة. ويعود نجاحه إلى عوامل متعددة، منها الحوكمة المجتمعية المفتوحة والمحايدة، والبيئة البيئية الغنية، ودعم الأجهزة عبر الهياكل المختلفة، بالإضافة إلى التصميم الموجه نحو الأمان والقابلية للصيانة. وعززت شركات أشباه الموصلات مثل NXP وSilicon Labs وSTMicroelectronics هذا النظام البيئي من خلال توفير دعم للأجهزة، وبرامج تشغيل مفتوحة المصدر، وأدوات تطوير.

الخلفية والأصل

تم تقديم مشروع Zephyr لأول مرة في مؤتمر Embedded World في نورمبرغ، ألمانيا، عام 2016. كان سابقه Rocket RTOS من WindRiver (نسخة مشتقة من Virtuoso)، والذي تم تحويله في عام 2016 إلى مشروع مفتوح المصدر تحت إشراف مؤسسة Linux وأُعيد تسميته إلى Zephyr. شاركت شركات مثل Intel وNXP وSynopsys كأعضاء مؤسسين في إطلاق المشروع، بهدف بناء نظام تشغيل زمني حقيقي (RTOS) "صغير ودقيق" بحجم نواة يتراوح بين 8 كيلوبايت و512 كيلوبايت، وبنية قابلة للنقل، مع التركيز منذ البداية على الأمان والحوكمة المفتوحة المصدر. من خلال هيكل الحوكمة التابع لمؤسسة Linux، يحافظ Zephyr على حياد الشركات المصنعة وشفافية مفتوحة المصدر، مما يمنع الاحتكار والإغلاق، ويجعل أي شركة أو مطور قادرًا على المشاركة والمساهمة بالكود.

بناءً على ذلك، تطور Zephyr من نواة مبسطة ودعم محدود للأجهزة إلى منصة كاملة: حيث أُدخلت ميزات مثل الجدولة الحديثة وخدمات النواة، ونظام الملفات، والسجلات، والتشفير، والتشغيل الآمن، وطابق بروتوكولات اللاسلكي، وإطار إدارة الأجهزة. حتى نهاية عام 2024، دعم Zephyr أكثر من 750 لوحة، تغطي ثمانية هياكل بما في ذلك ARM وRISC-V ومئات المستشعرات. وراء هذا النمو تكمن مساهمات مستمرة من أكثر من ألف مساهم عالمي، حيث تم تحقيق أكثر من 100,000 عملية إرسال في عام 2024، مع دعم إجمالي لأكثر من 750 لوحة.

عوامل النجاح الرئيسية

نجاح زيفير له سبب حتمي، وأهمه الدعم القوي من شركاء البيئة.

نموذج حوكمة مفتوح ومحايد: يحافظ زيفير على حياده بين الموردين تحت إدارة مؤسسة لينكس، حيث يعمل جميع المساهمين (بما في ذلك إنتل وNXP وSilicon Labs وST وARM) معًا في حوكمة مشتركة لدفع المشروع قدمًا. يتجنب هذا النموذج احتكار شركة واحدة، مما يسمح للمطورين باختيار موردي الأجهزة بحرية دون القلق بشأن توافق البرمجيات. كان الدافع الأساسي للأعضاء المؤسسين مثل NXP في المراحل المبكرة هو كسر التجزئة وبناء أساس موحد والاستثمار المشترك في الشبكات والأمان وتطوير السائقات.

نضج النظام البيئي والمجتمع: يمتلك Zephyr مجتمعًا نشطًا وموارد نظام بيئي غنية. يزداد عدد المساهمين المفتوحين المصدر عالميًا سنويًا، حيث كان هناك أكثر من 1100 مساهم في عام 2024، وأكثر من نصفهم مساهمون لأول مرة. تشهد أنشطة المجتمع حيوية كبيرة، مع تنظيم عدة فعاليات سنويًا تشمل مشاركات تقنية وورش عمل ولقاءات عالمية في مدن مختلفة. أنشأت عدة شركات منظمات تعاونية ونظمت تدريبات، مما خفّض بشكل كبير عتبة التعلم للمبتدئين. كما أظهرت دراسة الكتيب الأبيض الرسمية لـ Zephyr أن نضج النظام البيئي هو العامل الأول الذي يختاره المطورون عند اختيار نظام التشغيل الزمني الحقيقي (RTOS). اليوم، يمتلك Zephyر أكثر من 900 بطاقة مدعومة (تشمل MCU وSoC) و275 نوعًا من المستشعرات، بالإضافة إلى مئات وحدات الوسيط والبروتوكولات، ليشكّل منصة كاملة توفر حلولًا "جاهزة للاستخدام" للمطورين في مجال الأجهزة.

قابلية النقلية للعتاد ودعم التعددية المعمارية: دعم Zephyr منذ التصميم الأولي مجموعة متنوعة من هياكل المعالجات (ARM وRISC-V وARC وTensilica وx86 إلخ). يتيح هذا الدعم المتعدد المعماري إعادة استخدام الكود عبر عائلات الرقائق، مما يقلل بشكل كبير من تكاليف التطوير عند تغيير العتاد. أظهرت دراسة صناعية أن 49% من مستخدمي Zephyr صنّفوا "قابلية النقلية للعتاد" كأكبر ميزة. عمليًا، عند توقف إنتاج الرقاقة أو توسيع المشروع، يمكن للمطورين نقل الكود بسرعة من خلال تحديث تكوين شجرة الجهاز فقط، مما يتجنب التكلفة الباهظة لبدء العمل من الصفر. في الوقت نفسه، تعزز تصميم Zephyr المعياري وسلسلة أدوات التطوير الحديثة مثل أداة West كفاءة إعادة استخدام الكود والتطوير عبر المنصات.

تصميم الأمان والامتثال: يظل الأمان دائمًا محور اهتمام Zephyr الأساسي. تم إنشاء لجنة أمان منذ المراحل المبكرة من المشروع، مع تبني معايير برمجة آمنة وعمليات استجابة للثغرات. منذ أن أصبحت Zephyr جهة مخولة بمنح أرقام CVE في عام 2017، ثم حصولها على الميدالية الذهبية من مؤسسة لينكس للبنية التحتية الأساسية في عام 2018، وحتى استخدامها المستمر لأدوات SBOM التلقائية، تحسنت Zephyr باستمرار في الشفافية والأمان والاستجابة السريعة. اليوم، تمتلك Zephyr فريقًا متخصصًا للرد على الطوارئ الأمنية للمنتجات (PSIRT)، وتعمل بالتعاون مع المجتمع لإصلاح الثغرات بسرعة، مما يلبي متطلبات الصناعة الصارمة. وقد حصل المشروع في عام 2024 على اعتراف بمفهوم السلامة الوظيفية وفقًا لمعيار IEC 61508، ويقوم حاليًا بتطوير شهادات تشمل عمليات إدارة الجودة، مما يعني أن Zephyr تتوسع نحو بيئات حساسة من حيث الأمان مثل الصناعة والسيارات.

قدرات كاملة للوسيط والاتصال: يتكامل Zephyr مع دعم واسع للشبكات والملحقات، بما في ذلك طبقات البروتوكول مثل IPv4/IPv6 وCoAP وMQTT وBluetooth LE و802.15.4/Zigbee وThread وWi‑Fi، بالإضافة إلى أنظمة ملفات متنوعة وآليات تحديث برامج الأجهزة (DFU). تقلل هذه الوظائف المتكاملة مسبقًا من جهد المستخدم في نقل طبقات البروتوكول، مما يختصر بشكل كبير دورة تطوير المنتج. علاوة على ذلك، يواصل المصنعون والمجتمع المساهمة بسائقات المستشعرات وسائقات الاتصال ومكتبات دعم الذكاء الاصطناعي (مثل توليد البيانات الاصطناعية وسلسلة أدوات TinyML)، مما يمنح Zephyr إمكانات تطبيقية قوية في سيناريوهات الحوسبة الطرفية وإنترنت الأشياء وإنترنت الأشياء الذكي.

دعم وصيانة طويل الأمد: تركز إدارة إصدارات Zephyr على إصدارات LTS (الدعم طويل الأمد). تم تحديد الإصدار 3.7 (الصادر عام 2024) كإصدار LTS، مع وعد بدعم الأمان والاستقرار لمدة 2.5 سنة. تقدم هذه الاستراتيجية أساسًا موثوقًا لمطوري المنتجات، وضمانًا بعدم تعطيل التحديثات الأمنية للنظام. كما تركز خارطة طريق المجتمع التقنية على الاستدامة على المدى الطويل، من خلال إدخال تدريجي لتحليل ثابت، ومواصفات MISRA، وعمليات اختبار CI شاملة، بهدف خفض تكاليف الصيانة مع مرور الوقت.

بشكل عام، ساهم التعاون المفتوح والمساهمات المتعددة في نضج منصة Zephyr: فهي اليوم ليست مجرد نواة RTOS، بل نظامًا بيئيًا كاملًا. تُظهر أمثلة نجاح Zephyr في مجالات متنوعة مثل الأجهزة القابلة للارتداء، والمنازل الذكية، وأتمتة الصناعة، نضجها وقابلية توسيعها. ومع ذلك، لا تزال منصة Zephyr ضمن نموذج مفتوح المصدر تواجه تحديات مثل منحنى تعليمي حاد، وتكاليف صيانة طويلة الأمد وشهادات مرتفعة، مما يتطلب تحسينًا مستمرًا لأدوات السلسلة والدعم التدريبي.

الدعم القوي من شركات تصنيع الرقائق

نجاح Zephyr لا يتحقق إلا بدعم قوي من شركات تصنيع الرقائق الأساسية، حيث تبذل شركات MCU الرائدة عالميًا جهودًا لا تُدخر لدعم Zephyr.

NXP

بصفتها أحد الأعضاء البلاتينيين المؤسسين لـ Zephyr، شاركت NXP بنشاط منذ بدء المشروع. وتقدّر NXP الحياد المفتوح المصدر لـ Zephyr وقابلية توسيعه عبر مجموعات المنتجات، وتقدم دعمًا لـ Zephyr على عدة منصات MCU/MPU. وقد قدمت NXP عددًا كبيرًا من السائقين وال أمثلة على سلاسل الرقائق مثل Kinetis وLPC وi.MX ومعالجات الحافة. ولتعزيز تطوير النظام البيئي، أصدرت NXP أدلة تمهيدية وقوالب مخصصة لتسهيل بدء استخدام Zephyr بسرعة على لوحات التقييم الرئيسية الخاصة بها، مثل سلسلة لوحات FRDM. كما توفر بيئة MCUXpresso IDE الخاصة بـ NXP مشاريع أمثلة لـ Zephyr. بالإضافة إلى ذلك، نظّمت NXP على مدار السنوات الأخيرة ورش عمل تدريبية موجهة للجامعات والشركات، وشجّعت المطورين على تجربة Zephyr من خلال توزيع آلاف لوحات FRDM. وأشار مدونتها الرسمية إلى أن NXP تهدف من خلال Zephyr إلى تقليل التجزئة وبناء قدرات الأمان والاتصال على أساس موحد، مما يمكّن شركات متعددة من بناء نظام بيئي أقوى معًا.

سيليكون لابس

انضمّت Silicon Labs إلى مجتمع Zephyr في عام 2021 (وتم ترقيتها إلى عضو بلاتيني في عام 2025). كرائدة في مجال الاتصالات اللاسلكية، قامت Silicon Labs بإدخال دعم لسلسلة شرائحها اللاسلكية (مثل شرائح EFR32 للبلوتوث/Wi-Fi/Thread) إلى Zephyr. وقد قدمت الشركة سائقات وطوابق بروتوكولات شبكة ذات صلة إلى Zephyr، كما تتحمل مسؤولية صيانة بروتوكولات لاسلكية مثل Wi-SUN وZigbee وBluetooth. في بداية عام 2026، أطلقت Silicon Labs منصة Simplicity SDK المبنية على Zephyr، والتي توفر للتطويرين طوابق لاسلكية وسائقات تم التحقق منها من قبل الشركة، مع ضمان دعم طويل الأمد. وتشدّد Silicon Labs على الحفاظ على التوافق بين Zephyr الأصلي وSDK الخاص بها، لتحقيق التوازن بين الابتكار المفتوح المصدر والموثوقية التجارية. بالإضافة إلى ذلك، تشارك Silicon Labs بنشاط في أنشطة المجتمع: حيث يشغل مسؤولها التقني منصب رئيس مجلس Zephyr (في عام 2026)، وتنظم جلسات تقنية مشتركة مع أعضاء آخرين. كما تنشر Silicon Labs أمثلة متوافقة عبر GitHub (مستودع zephyr-silabs)، مما يعزز نظام المطورين. وقد ساهمت جهودها في توسيع تطبيقات Zephyr في مجال إنترنت الأشياء اللاسلكي، وقدمت أساسًا مستقرًا لمشاريع مثل Zigbee للمنازل الذكية.

STMicroelectronics

انضمّت STMicroelectronics إلى مجتمع Zephyr كعضو فضي في عام 2024. تركز مساهمات ST على وحدات التحكم الدقيقة من سلسلة STM32 ومحركات الأجهزة المرتبطة بها. وقد ساهم مهندسو ST لفترة طويلة برمجيات في مشروع Zephyr، بما في ذلك دعم الأجهزة مثل وحدات تحكم USB، وشاشات LCD-TFT، وبطاقات الشبكة، وأنماط استهلاك الطاقة المنخفضة. كما أنهم يخصصون جهودًا كبيرة لمراجعة المساهمات الخارجية لضمان التحقق والدمج السريع لتحسينات الأطراف الثالثة على منصة STM32. وقد أضاف الإصدار الأحدث Zephyr 4.4.0 دعمًا لسلسلات MCU جديدة مثل STM32C5 وSTM32H5 وSTM32U3 وSTM32WBA2X. في التطبيقات العملية، تدمج ST Zephyr مع بيئتها STM32Cube، وتقدم مجموعة غنية من الأمثلة والوثائق ومنصات الأجهزة. تقترح ST في مدونتها على المطورين البدء السريع من خلال صفحة وثائق Zephyr ومجتمع Discord (مثل قناة #STM32). على مستوى المجتمع، تروّج ST لـ Zephyr بنشاط من خلال مشاريع شريكة وتدريبات ومنصات مفتوحة المصدر، وتُظهر من خلال مشاريع توضيحية تشغيل ميزات مثل شاشات اللمس ومحركات المستشعرات على Zephyr. وتساهم مشاركة ST المستمرة في تعزيز ثقة الصناعة في قابلية استخدام Zephyr في المجالات المهنية مثل التحكم الصناعي وإنترنت الأشياء.

ADI

يدعم CodeFusion Studio 2.0، الذي أصدرته ADI في عام 2025، سير عمل AI الكامل، مما يسمح للمطورين بجلب نماذجهم الخاصة ونشرها بكفاءة على معالجات ووحدات التحكم الدقيقة من ADI، بدءًا من أجهزة الحافة منخفضة الاستهلاك وحتى DSPs (معالجات الإشارات الرقمية) عالية الأداء. تستند المنصة الأحدث إلى Microsoft Visual Studio Code، وتضم مدقق توافق النماذج وأدوات تحليل الأداء ووظائف التحسين، لضمان نشر آمن وموثوق مع تقصير دورة إطلاق المنتج.

يُدعم الإطار المعياري الجديد المستند إلى Zephyr تحليل الأداء في وقت التشغيل لعبء عمل AI/ML، مما يمكّن من التحليل الطبقي، ويدمج بسلاسة مع منصات ADI غير المتجانسة. إن تغليف سلسلة الأدوات في وحدة واحدة لا يبسّط فقط نشر التعلم الآلي، بل يعزز أيضًا الرؤى المتعلقة بأداء النظام.

تكساس إنسترومنتس

يُعد TI أحد أعضاء فئة Silver في Zephyr، وقد ساهم لفترة طويلة بكوادر رأسية لـ Zephyr. وتشير صفحة TI الرسمية إلى أن فريق TI يشارك بنشاط في تطوير المشروع منذ تأسيس Zephyr في عام 2016، ويستخدم إطارات Twister و Ztest الخاصة بـ Zephyr لضمان جودة منتجاته. كما يُحافظ TI على مستودعات Zephyr الفرعية المخصصة للاتصالات اللاسلكية ووحدات التحكم الدقيقة والتحكم الزمني الفعلي، مما يسمح للمطورين بالحصول على أحدث الميزات مبكرًا. بالإضافة إلى ذلك، استثمر TI في تطوير إضافات VS Code وأدوات تصحيح مخصصة لتعزيز دعم Zephyr على شرائحه.

رينيساس

في يونيو 2025، أعلنت Renesas عن ترقية مستوى عضويتها إلى البلاتينيوم. وقال أيش دوباي، أحد كبار المسؤولين في Renesas، إن الشركة ملتزمة بجعل "حلول RTOS القائمة على OSS متاحة على نطاق واسع عبر جميع الصناعات"، وستتعاون عن كثب مع قيادة Zephyr لتسريع تلبية متطلبات السلامة الوظيفية والأمان السيبراني المتزايدة الصرامة. وكانت Renesas قد دعمت بالفعل عدة متحكمات دقيقة (سلسلتا RX وRA إلخ) من قبل Zephyr، وتشير هذه الترقية الجديدة إلى استمرارها في زيادة استثماراتها لتوسيع تأثير Zephyr في مجالات إنترنت الأشياء والأداء العالي.

Nordic Semiconductor

Zephyr هو مكون أساسي في Nordic nRF Connect SDK. في سبتمبر 2025، عرضت Nordic الجيل الجديد من شرائح Wi-Fi SoC (سلسلة nRF70) المتكاملة مع Zephyr: من خلال نظام Zephyr RTOS، توفر هذه الحلول وظائف Wi-Fi 6 منخفضة الاستهلاك للطاقة، وتمكّن وحدات MCU من الطرف الثالث من الاتصال بالسحابة.

تحدي زيفير

التحديات والمخاطر: على الرغم من تقوية نظام Zephyr البيئي، لا تزال هناك تحديات.

أولاً، منحنى التعلم حاد. إن عمليات التطوير الحديثة لـ Zephyr (مثل Devicetree و CMake و West و Kconfig) غير مألوفة للمهندسين القادمين من خلفيات RTOS تقليدية أو بيئة بدون نظام تشغيل، حيث أفاد 20% من مستخدمي الاستبيان بأن التدريب والتقدم في البدء محدودان. وهذا يؤدي إلى الحاجة إلى استثمارات إضافية في التدريب عند توسيع الفريق.

ثانيًا، لا يمكن تجاهل تكاليف الصيانة والاعتماد على المدى الطويل. على الرغم من أن Zephyr تُقدّم جهودًا للحصول على شهادات معايير السلامة مثل IEC 61508، إلا أن الامتثال الكامل لمتطلبات الصناعة ومستوى السيارات يتطلب استثمارًا كبيرًا في الموارد البشرية.

ثالثًا، يجب توخي الحذر من المخاطر المتعلقة بالمنافسة وحوكمة النظام البيئي: فقد مرت أنظمة RTOS أخرى (مثل FreeRTOS) بتغيرات من قبل شركات كبرى مثل Amazon وMicrosoft، مما يشير إلى أن النموذج الرأسي قد يؤدي إلى عدم الاستقرار. لكن بسبب نموذج Zephyr القائم على المجتمع، أصبح تدريجيًا المعيار الفعلي في الصناعة.

في النهاية، تفرض اللوائح (مثل قانون الأمن السيبراني الأوروبي CRA) متطلبات أعلى لأمان إنترنت الأشياء، وتطالب Zephyr بتحسين إجراءات الإبلاغ عن الثغرات وتعزيز أمان المكونات المعتمدة.

بشكل عام، أثبت مشروع Zephyr على مدار عقد من الزمن قوة التعاون المفتوح المصدر: مشاركة أطراف متعددة جعلت من نظام تشغيل مدمج خفيف منصة عالمية تشمل جهود آلاف المهندسين. وبفضل الدفع المشترك من العديد من الشركات في مجالات الرقائق وتطوير البرمجيات، توسع Zephyr باستمرار في مجالات إنترنت الأشياء والحوسبة الطرفية. ومع ذلك، ليست أي طريق تقني خالية من العقبات. مع زيادة تعقيد الأجهزة وازدياد متطلبات التنظيمات، يجب على مجتمع Zephyr وشركاء البيئة الاستمرار في الابتكار والتحسين.

لكن بغض النظر عن أي شيء، فقد نجح زيفير في بناء بيئته خلال هذا العقد.