RTOSは結局どれ？FreeRTOS/Zephyr/ThreadXを実機ベンチ

1) 要約（3行）

同一ボード・同一ツールチェーン・同一設定で FreeRTOS / Zephyr / ThreadX を実機ベンチ。
評価軸は割り込みレイテンシ、コンテキストスイッチ、タイマジッタ、メッセージ往復、RAM/Flash、ブート時間、任意でネットワーク。
本稿は測定手順と再現性を重視。未取得値は TBD/不明 と明示し、脚注に注意点を記す。[^tbd]

想定読者/結論の先出し

• 実務開発者：再現手順と最小スニペットがすぐ使える
• マネージャ：1画面比較表と選定フローチャートで短時間判断
• 学生/初学者：計測方法の擬似コードでベンチ設計の勘所を学べる
• 結論（暫定）：用途適合で選ぶべき。数値は環境依存が大きく、統一手順での社内再測定を推奨。[^env]

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2) テスト環境

テスト環境表

項目	値
計測日	{{MEASURED_DATE}}
ボード/MCU	{{BOARD_MODEL}} / {{MCU_PART}}
クロック	{{CPU_CLOCK_MHZ}} MHz
周辺	{{PERIPHERALS}}
コンパイラ/最適化	{{COMPILER}} / {{OPT_FLAGS}}
共通条件	{{BUILD_CONDS}}
ティック	{{TICK_HZ}} Hz
スケジューラ	{{SCHEDULER_MODE}}
メモリ割当	{{MEM_ALLOC}}

RTOSバージョン表

RTOS	バージョン/タグ
FreeRTOS	{{FREERTOS_VER}}
Zephyr	{{ZEPHYR_VER}}
ThreadX	{{THREADX_VER}}

表示ルール：未入力の値は後述の表では <span style="color:gray">TBD/不明</span> としてグレー表示する。[^tbd]

公平性のための統一ルール

• 同一ハード・同一クロック・同一電源・同一温度帯（室温/不明は明記）。
• 同一コンパイラ/同一最適化フラグ、リンク時の GC 等も一致。
• カーネルティック {{TICK_HZ}} Hz を共通。ティックレスは無効（比較容易化）。[^tickless]
• 割り込み源・優先度・測定回数・外れ値処理を共通化。
• タイムベースは DWT（Data Watchpoint and Trace）カウンタまたはロジックアナライザで同一基準。
• RAM/Flash はリンカマップから最小構成を抽出（アプリは最小）。

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3) 評価軸と計測方法（図解/疑似コード）

割り込みレイテンシ（IRQ→最初のタスク実行）

• 狙い：外部 IRQ 立上りから ISR 経由で最初に実行されるタスク開始までの時間。
• 手段：
  • DWT_CYCCNT を有効化。IRQエッジで GPIO をトグル→ISR でタイムスタンプ→タスク起動箇所でもう一度トグル。
  • 代替：ロジアナで IRQ 入力線とプローブ GPIO を測る。
• 回数/外れ値：N=10,000 推奨。p95/p99 と箱ひげ図で外れ値可視化。外れ値は除外せず分布として報告。

// 擬似コード（C）
volatile uint32_t t_isr, t_task;
void IRQ_Handler(void){
  GPIO_SET(PROBE1);
  t_isr = DWT_CYCCNT;
  xTaskNotifyFromISR(taskH, 1, eSetBits, &hpw);
  portYIELD_FROM_ISR(hpw);
}
void task(void*){
  ulTaskNotifyTake(pdTRUE,  portMAX_DELAY);
  t_task = DWT_CYCCNT;
  GPIO_SET(PROBE2);
}

コンテキストスイッチ（同優先度2タスクのピンポン）

• 狙い：A→B→A の往復に要する時間。
• 手段：同優先度・同コアでタスク通知/セマフォ ping-pong。タイムスタンプは DWT または GPIO。

// 擬似コード（C）
void taskA(void*){
  for(;;){
    uint32_t t0 = DWT_CYCCNT;
    xTaskNotifyGive(taskB);
    ulTaskNotifyTake(pdTRUE, portMAX_DELAY);
    uint32_t dt = DWT_CYCCNT - t0; log(dt);
  }
}

タイマジッタ（1kHz 周期タスク）

• 狙い：周期 1ms タスクの到着時刻ばらつき（p-p）。
• 手段：ソフトタイマ/カーネルディレイ禁止。ハードタイマ→タスク起床で timestamp 収集。

メッセージ往復（64B）

• 狙い：キュー/メイルボックスで 64B を A→B→A 往復した 1 回あたりの遅延。
• 手段：RTOS 標準 API。割り込み禁止区間の影響に注意。

メモリ/フラッシュ

• 狙い：最小構成の静的 RAM / Flash フットプリント。
• 手段：リンカマップから .bss/.data/.rodata/.text を抽出し合算。ブートローダは除外を明記。

ブート時間

• 狙い：リセットベクタ→最初のユーザタスク開始まで。
• 手段：Reset_Handler 先頭で GPIO Low、タスク開始直前で High。ロジアナで測定。

注意：TBD の項目はグレー表示し、脚注で追試予定と明記する。[^tbd]

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4) 比較サマリ表（1画面で俯瞰）

指標	FreeRTOS	Zephyr	ThreadX	備考
IRQレイテンシ (μs)	{{IRQLAT_FR}}	{{IRQLAT_ZEP}}	{{IRQLAT_TX}}	低いほど良い
CtxSwitch往復 (μs)	{{CS_FR}}	{{CS_ZEP}}	{{CS_TX}}	低いほど良い
タイマジッタ p-p (μs)	{{JITTER_FR}}	{{JITTER_ZEP}}	{{JITTER_TX}}	低いほど良い
キュー往復 64B (μs)	{{MQ_FR}}	{{MQ_ZEP}}	{{MQ_TX}}	低いほど良い
RAM最小 (KiB)	{{RAM_FR}}	{{RAM_ZEP}}	{{RAM_TX}}	リンカマップから算出
Flash最小 (KiB)	{{FLASH_FR}}	{{FLASH_ZEP}}	{{FLASH_TX}}
ブート時間 (ms)	{{BOOT_FR}}	{{BOOT_ZEP}}	{{BOOT_TX}}	低いほど良い
ネットワーク (kpps)	{{NET_FR}}	{{NET_ZEP}}	{{NET_TX}}	任意テスト
ライセンス	<span style="color:gray">不明</span>	<span style="color:gray">不明</span>	<span style="color:gray">不明</span>	本稿では未確認[^license]
設定難易度	<span style="color:gray">TBD</span>	<span style="color:gray">TBD</span>	<span style="color:gray">TBD</span>	主観を避け定量化予定
エコシステム	<span style="color:gray">TBD</span>	<span style="color:gray">TBD</span>	<span style="color:gray">TBD</span>	ボード/ドライバ数等で後日評価
ドライバ/Devicetree有無	<span style="color:gray">TBD</span>	<span style="color:gray">TBD</span>	<span style="color:gray">TBD</span>	本ベンチの範囲外
セキュリティ（TrustZone/MPU）	<span style="color:gray">TBD</span>	<span style="color:gray">TBD</span>	<span style="color:gray">TBD</span>	将来追補
Long-termサポート	<span style="color:gray">TBD</span>	<span style="color:gray">TBD</span>	<span style="color:gray">TBD</span>	ベンダ/コミュニティ情報要確認

注：表中の {{...}} は測定で置換される値。未取得は <span style="color:gray">TBD</span> に差し替える。[^tbd]

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5) 結果（チャート＋表）

レンダリングについて：本稿は Markdown ベース。{{...}} が実数に置換されていない場合、以下の Mermaid グラフは描画されない。未取得値はグラフから除外し、表では <span style="color:gray">TBD</span> とする。単位を凡例に明記。

IRQレイテンシ（μs, 低いほど良い）

bar
title IRQ Latency (μs) - lower is better
x-axis [FreeRTOS, Zephyr, ThreadX]
y-axis "μs"
series "Latency" [{{IRQLAT_FR}}, {{IRQLAT_ZEP}}, {{IRQLAT_TX}}]

コンテキストスイッチ往復（μs, 低いほど良い）

bar
title Context Switch Round-trip (μs) - lower is better
x-axis [FreeRTOS, Zephyr, ThreadX]
y-axis "μs"
series "CtxSwitch" [{{CS_FR}}, {{CS_ZEP}}, {{CS_TX}}]

タイマジッタ p-p（μs, 低いほど良い）

bar
title Timer Jitter p-p (μs) - lower is better
x-axis [FreeRTOS, Zephyr, ThreadX]
y-axis "μs"
series "Jitter" [{{JITTER_FR}}, {{JITTER_ZEP}}, {{JITTER_TX}}]

メッセージ往復 64B（μs/回, 低いほど良い）

bar
title Message Queue RTT 64B (μs) - lower is better
x-axis [FreeRTOS, Zephyr, ThreadX]
y-axis "μs/operation"
series "MQ RTT" [{{MQ_FR}}, {{MQ_ZEP}}, {{MQ_TX}}]

フットプリント（KiB, 低いほど良い）

bar
title Static RAM (KiB) - lower is better
x-axis [FreeRTOS, Zephyr, ThreadX]
y-axis "KiB"
series "RAM" [{{RAM_FR}}, {{RAM_ZEP}}, {{RAM_TX}}]

bar
title Flash (KiB) - lower is better
x-axis [FreeRTOS, Zephyr, ThreadX]
y-axis "KiB"
series "Flash" [{{FLASH_FR}}, {{FLASH_ZEP}}, {{FLASH_TX}}]

ブート時間（ms, 低いほど良い）

bar
title Boot Time (ms) - lower is better
x-axis [FreeRTOS, Zephyr, ThreadX]
y-axis "ms"
series "Boot" [{{BOOT_FR}}, {{BOOT_ZEP}}, {{BOOT_TX}}]

ネットワーク（UDP 1KB, kpps, 高いほど良い）

bar
title UDP 1KB throughput (kpps) - higher is better
x-axis [FreeRTOS, Zephyr, ThreadX]
y-axis "kpps"
series "UDP" [{{NET_FR}}, {{NET_ZEP}}, {{NET_TX}}]

指標別の表（平均/中央値/標準偏差を併記）

本稿では単一条件の代表値のみが与えられているため、統計量は <span style="color:gray">TBD</span>。複数ロット/温度で再測定予定。[^stats]

指標	単位	FreeRTOS	Zephyr	ThreadX	平均	中央値	標準偏差
IRQレイテンシ	μs	{{IRQLAT_FR}}	{{IRQLAT_ZEP}}	{{IRQLAT_TX}}	<span style="color:gray">TBD</span>	<span style="color:gray">TBD</span>	<span style="color:gray">TBD</span>
CtxSwitch往復	μs	{{CS_FR}}	{{CS_ZEP}}	{{CS_TX}}	<span style="color:gray">TBD</span>	<span style="color:gray">TBD</span>	<span style="color:gray">TBD</span>
タイマジッタ p-p	μs	{{JITTER_FR}}	{{JITTER_ZEP}}	{{JITTER_TX}}	<span style="color:gray">TBD</span>	<span style="color:gray">TBD</span>	<span style="color:gray">TBD</span>
MQ 往復 64B	μs/回	{{MQ_FR}}	{{MQ_ZEP}}	{{MQ_TX}}	<span style="color:gray">TBD</span>	<span style="color:gray">TBD</span>	<span style="color:gray">TBD</span>
RAM最小	KiB	{{RAM_FR}}	{{RAM_ZEP}}	{{RAM_TX}}	<span style="color:gray">TBD</span>	<span style="color:gray">TBD</span>	<span style="color:gray">TBD</span>
Flash最小	KiB	{{FLASH_FR}}	{{FLASH_ZEP}}	{{FLASH_TX}}	<span style="color:gray">TBD</span>	<span style="color:gray">TBD</span>	<span style="color:gray">TBD</span>
ブート時間	ms	{{BOOT_FR}}	{{BOOT_ZEP}}	{{BOOT_TX}}	<span style="color:gray">TBD</span>	<span style="color:gray">TBD</span>	<span style="color:gray">TBD</span>
ネットワーク	kpps	{{NET_FR}}	{{NET_ZEP}}	{{NET_TX}}	<span style="color:gray">TBD</span>	<span style="color:gray">TBD</span>	<span style="color:gray">TBD</span>

優劣の要因仮説（短評）

• IRQレイテンシ：**ISR出口処理（コンテキスト切替/クリティカル区間）**の実装差が影響しやすい。[^hyp]
• CtxSwitch：レディーリスト実装（ビットマップ/リスト）や割り込みマスク範囲の差。
• ジッタ：ティック割り込みの位相関係と優先度の逆転回避が効く。
• MQ 往復：コピー回数と**通知原語（セマフォ/キュー/イベント）**の違い。
• フットプリント：リンク時最適化/スタブ化の度合いで大きく変動。

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6) 実装スニペット（最小タスク起動）

すべて概略であり、プロジェクトのスタートポイントとして自己記述化した最小例。無断コピペではない。

FreeRTOS（最小）

// main.c
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"

static void AppTask(void *arg){
  (void)arg;
  // ここでGPIO点灯やUART出力など
  for(;;){ vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)); }
}

int main(void){
  // hw_init(); // クロック/ピン/コンソール初期化
  xTaskCreate(AppTask, "app", 512, NULL, tskIDLE_PRIORITY+1, NULL);
  vTaskStartScheduler();
  for(;;); // ここには戻らない
}

// FreeRTOSConfig.h（抜粋）
#define configUSE_PREEMPTION            1
#define configTICK_RATE_HZ              ( ( TickType_t ) {{TICK_HZ}} )
#define configTOTAL_HEAP_SIZE           ( ( size_t ) ( /* 例: 16*1024 */ ) ) // {{MEM_ALLOC}}

Zephyr（最小）

// prj.conf（抜粋）
# スレッド/タイマ関連
CONFIG_MAIN_STACK_SIZE=1024
CONFIG_SYSTEM_CLOCK_TICKS_PER_SEC={{TICK_HZ}}
CONFIG_PREEMPT_ENABLED=y

// app.overlay（DT抜粋のイメージ。必要に応じてGPIO/UARTノードを有効化）
/ {
  aliases { console = &uart0; };
}

// src/main.c
#include <zephyr/kernel.h>

void main(void){
  // hw_init();
  while (1) {
    // printk("tick\n");
    k_msleep(1000);
  }
}

ThreadX（Azure RTOS）（最小）

// tx_app.c
#include "tx_api.h"
TX_THREAD app_thread;
UCHAR app_stack[1024];

void app_entry(ULONG input){
  (void)input;
  for(;;){ tx_thread_sleep(TX_TICKS_PER_SECOND); }
}

void tx_application_define(void *first_unused_memory){
  (void)first_unused_memory;
  tx_thread_create(&app_thread, "app", app_entry, 0,
                   app_stack, sizeof(app_stack),
                   1, 1, TX_NO_TIME_SLICE, TX_AUTO_START);
}

int main(void){
  // hw_init();
  tx_kernel_enter();
}

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7) 選定ガイド（用途別おすすめ）

• 超省リソース（RAM 8〜64 KiB）：フットプリント最小の構成が作れる RTOS を優先。割込み応答と静的割当の容易さを重視。
• 大規模 SoC / Connectivity 重視：ドライバ群/ネットワークスタックの有無、ビルドシステムの規模感を確認。
• 量産保守/商用サポート重視：長期提供・脆弱性対応窓口や認証/規格対応の実績を確認。
• 教育/試作：ドキュメント/サンプルの豊富さと学習曲線を最優先。

意思決定フローチャート（簡易）

[要件定義: RAM/Flash/IRQ要件/周辺/認証] 
          |
          v
[ドライバ/スタック要件 あり?]--No-->[最小フットプリント重視系へ]
          |Yes
          v
[公式/商用サポート必要?]--Yes-->[サポート重視系へ]
          |No
          v
[ビルド/設定の組織適合?]--No-->[教育/導入容易系へ]
          |Yes
          v
[PoCで実測→しきい値を満たすRTOSを採択]

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8) 落とし穴と対策チェックリスト

• [ ] DWT無効で計測値が0に近づく（要 DWT_ENABLE）。
• [ ] 最適化差（-O0/-O2/-Os）の混在。共通化。
• [ ] 割り込み優先度の不整合（ベンダ HAL 初期化が上書き）。
• [ ] ティックレス混入で比較不能（明示的に無効化）。
• [ ] LTO/GC 設定差でフットプリントが変動。
• [ ] GPIO測定負荷を過小評価（トグル自体の遅延を校正）。
• [ ] 温度/電圧依存を無視（室温/電源条件を記録）。
• [ ] RTOSヒープ/スタック初期サイズの不一致。
• [ ] 外れ値除外で都合の良い平均にしない（分布で併記）。
• [ ] ブートローダ混在でブート時間が伸びる（含む/除くを明示）。

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9) ライセンス/商用利用の注意

本稿では各 RTOS の具体的ライセンスは未確認のため言及を避ける。一般論として、MITやApache-2.0は再配布や改変に寛容で、特許ライセンス条項の有無が異なる。一方、ベンダ EULAや商用サブスクリプションは使用条件やサポート範囲が契約で定義される。本節は法的助言ではないため、採用前に必ず一次情報と法務レビューを行うこと。[^license]

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10) 再現手順

リポジトリ：{{REPO_URL_OR_NONE}}（リポジトリがない場合は手順のみ記載）

# 1) 取得
git clone {{REPO_URL_OR_NONE}}
cd rtos-bench

# 2) ツールチェーン
# 例: arm-none-eabi-gcc / CMake / Ninja を PATH に通す
# バージョン: {{COMPILER}}

# 3) FreeRTOS ビルド
cmake -S freertos -B build/fr -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release -DTICK_HZ={{TICK_HZ}}
cmake --build build/fr -j

# 4) Zephyr ビルド
west init -l zephyr
west update
west build -b {{BOARD_MODEL}} zephyr/app -t run

# 5) ThreadX ビルド
cmake -S threadx -B build/tx -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release -DTICK_HZ={{TICK_HZ}}
cmake --build build/tx -j

# 6) 書き込み（例: OpenOCD）
openocd -f interface/jlink.cfg -f target/{{MCU_PART}}.cfg -c "program build/fr/app.elf verify reset exit"

# 7) 計測
# ロジアナで GPIO をキャプチャ、または SWO/ITM で DWT タイムスタンプを取得

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