نظام التشغيل في الوقت الحقيقي (RTOS): المكونات والأنواع والأمثلة

ما هو الوقت الحقيقي Operaنظام تينغ (RTOS)؟

A نظام التشغيل في الوقت الحقيقي (RTOS) هو نظام التشغيل صُممت هذه الأنظمة لخدمة التطبيقات التي تعمل في الوقت الفعلي، والتي تعالج البيانات فور ورودها، دون تأخير يُذكر في التخزين المؤقت. ويُعرف نظام التشغيل RTOS اختصارًا بـ "نظام التشغيل في الوقت الفعلي".

في نظام التشغيل في الوقت الحقيقي (RTOS)، تُحسب متطلبات وقت المعالجة بأجزاء من عشرة من الثانية. إنه نظام ذو قيود زمنية ثابتة. في هذا النوع من الأنظمة، يجب أن تتم المعالجة ضمن القيود المحددة، وإلا سيفشل النظام.

لماذا نستخدم نظام RTOS؟

فيما يلي أسباب مهمة لاستخدام نظام التشغيل في الوقت الحقيقي (RTOS):

• وهو يوفر جدولة على أساس الأولوية، مما يسمح لك بفصل المعالجة التحليلية عن المعالجة غير الحرجة.
• يوفر نظام التشغيل في الوقت الحقيقي وظائف واجهة برمجة التطبيقات (API) التي تسمح بكتابة أكواد تطبيقات أنظف وأصغر حجماً.
• ABStracيؤدي تقليل الاعتماد على التوقيت والتصميم القائم على المهام إلى تقليل الاعتماد المتبادل بين الوحدات.
• يوفر نظام التشغيل في الوقت الحقيقي (RTOS) تطويرًا معياريًا قائمًا على المهام، مما يسمح بإجراء اختبارات معيارية قائمة على المهام.
• تشجع واجهة برمجة التطبيقات القائمة على المهام على التطوير المعياري، حيث يكون لكل مهمة دور محدد بوضوح. وهذا يسمح للمصممين والفرق بالعمل بشكل مستقل على أجزاء المشروع الخاصة بهم.
• نظام التشغيل في الوقت الحقيقي (RTOS) يعتمد على الأحداث، ولا يهدر أي وقت معالجة على الأحداث التي لا تحدث.

مكونات RTOS

مكونات الوقت الحقيقي Operaنظام تينج

فيما يلي المكونات المهمة لنظام التشغيل في الوقت الحقيقي (RTOS):

المنسق: يحدد هذا المكون من نظام التشغيل في الوقت الحقيقي ترتيب تنفيذ المهام، وذلك بشكل عام بناءً على أولويتها.

المعالجة المتعددة المتناظرة (SMP): إنها مجموعة من المهام المتعددة والمختلفة التي يمكن لنظام التشغيل في الوقت الحقيقي التعامل معها بحيث يمكن إجراء المعالجة المتوازية.

مكتبة الوظائف: يُعدّ هذا عنصرًا هامًا في نظام التشغيل في الوقت الحقيقي، حيث يعمل كواجهة لربط نواة النظام برمز التطبيق. يرسل التطبيق طلباته إلى النواة باستخدام مكتبة وظائف لكي تتمكن من إنتاج النتائج المطلوبة.

إدارة الذاكرة: هذا العنصر ضروري في النظام لتخصيص الذاكرة لكل برنامج، وهو العنصر الأكثر أهمية في نظام التشغيل في الوقت الحقيقي (RTOS).

زمن استجابة الإرسال السريع: إنها الفترة الفاصلة بين إنهاء مهمة يمكن لنظام التشغيل تحديدها والوقت الفعلي الذي استغرقه الخيط الموجود في قائمة الانتظار الجاهزة لبدء المعالجة.

كائنات وفئات البيانات التي يحددها المستخدم: يستخدم نظام التشغيل في الوقت الحقيقي لغات برمجة مثل لغة C أو C++والتي ينبغي تنظيمها وفقًا لعملها.

أنواع أنظمة RTOS

ثلاثة أنواع من أنظمة التشغيل في الوقت الحقيقي هي:

الوقت الحقيقي الصعب

في نظام التشغيل في الوقت الحقيقي الصارم، يتم التعامل مع الموعد النهائي بشكل صارم للغاية، مما يعني أن مهمة معينة يجب أن تبدأ في التنفيذ في الوقت المحدد ويجب إكمالها في غضون المدة الزمنية المحددة.

مثال: أنظمة الرعاية الطبية الحرجة، وأنظمة الطائرات، وما إلى ذلك.

شركة الوقت الحقيقي

يجب أن يلتزم هذا النوع من أنظمة التشغيل في الوقت الحقيقي بالمواعيد النهائية. ومع ذلك، قد لا يكون لتجاوز الموعد النهائي تأثير كبير، ولكنه قد يتسبب في آثار غير مرغوب فيها، مثل انخفاض كبير في جودة المنتج.

مثال: أنواع مختلفة من تطبيقات الوسائط المتعددة.

الوقت الحقيقي الناعم

يقبل نظام التشغيل في الوقت الحقيقي المرن بعض التأخيرات من نظام التشغيل. في هذا النوع من أنظمة التشغيل، يُحدد موعد نهائي لإنجاز مهمة معينة، ولكن يُسمح بتأخير قصير. لذا، يتعامل هذا النوع من أنظمة التشغيل مع المواعيد النهائية بمرونة.

مثال: أنظمة المعاملات عبر الإنترنت وأنظمة تحديد أسعار الماشية.

المصطلحات المستخدمة في RTOS

فيما يلي المصطلحات الأساسية المستخدمة في أنظمة التشغيل في الوقت الحقيقي (RTOS):

• المهمة: مجموعة من المهام المترابطة التي توفر معًا بعض وظائف النظام.
• الوظيفة: الوظيفة هي جزء صغير من العمل الذي يمكن تعيينه للمعالج، وقد يتطلب أو لا يتطلب موارد.
• وقت انتهاء المهمة: إنه الوقت الذي تصبح فيه المهمة جاهزة للتنفيذ.
• مدة تنفيذ العمل: هو الوقت الذي تستغرقه المهمة لإنهاء تنفيذها.
• الموعد النهائي للوظيفة: إنه الوقت الذي يجب أن تنتهي فيه المهمة من تنفيذها.
• معالجات: تُعرف أيضًا باسم الموارد النشطة. إنها مهمة لتنفيذ الوظيفة.
• الموعد النهائي النسبي: يُطلق على الحد الأقصى المسموح به لوقت استجابة مهمة ما اسم الموعد النهائي النسبي.
• زمن الاستجابة للوظيفة: هو المدة الزمنية من وقت إصدار المهمة إلى لحظة انتهائها.
• الموعد النهائي المطلق: هذا هو الموعد النهائي النسبي، والذي يشمل أيضًا وقت الإصدار.

ميزات نظام RTOS

فيما يلي ميزات مهمة لـ RTOS:

• يشغل مساحة صغيرة جدًا من الذاكرة
• يستهلك موارد أقل
• أوقات الاستجابة يمكن التنبؤ بها إلى حد كبير
• يؤدي وظيفته بكفاءة حتى في بيئة غير متوقعة
• تقوم النواة بحفظ حالة المهمة التي تمت مقاطعتها ثم تحدد المهمة التي يجب تشغيلها بعد ذلك.
• تقوم النواة باستعادة حالة المهمة وتمرير التحكم في وحدة المعالجة المركزية إلى تلك المهمة.

عوامل اختيار RTOS

فيما يلي العوامل الأساسية التي يجب مراعاتها عند اختيار نظام تشغيل في الوقت الحقيقي (RTOS):

• الأداء: يُعد الأداء أهم عامل يجب مراعاته عند اختيار نظام التشغيل في الوقت الحقيقي (RTOS).
• الوسيطة: إذا لم يكن هناك دعم للبرمجيات الوسيطة في نظام التشغيل في الوقت الحقيقي، فستظهر مشكلة تكامل العمليات الذي يستغرق وقتاً طويلاً.
• خالية من الأخطاء: تم تصميم أنظمة التشغيل في الوقت الحقيقي لتكون خالية من الأخطاء، لذلك هناك احتمال ضئيل لحدوث خطأ أثناء أداء مهمة ما.
• استخدام النظام المدمج: تتميز برامج نظام التشغيل في الوقت الحقيقي (RTOS) بصغر حجمها، لذا يُستخدم نظام التشغيل في الوقت الحقيقي على نطاق واسع لـ الأنظمة المضمنة.
• الاستخدام الأمثل: يساعدك نظام التشغيل في الوقت الحقيقي (RTOS) على تحقيق أقصى استفادة من موارد النظام.
• نقل المهام: إن وقت تبديل المهام قصير للغاية.
• خصائص فريدة: يجب أن يكون نظام التشغيل في الوقت الحقيقي الجيد قادراً على توفير ميزات إضافية، مثل كيفية تنفيذه للأوامر ومدى كفاءته في حماية ذاكرة النظام.
• الأداء على مدار 24 ساعة في اليوم و7 أيام في الأسبوع: يُعد نظام التشغيل في الوقت الحقيقي (RTOS) مثاليًا للتطبيقات التي تحتاج إلى التشغيل على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع.

الفرق بين نظام التشغيل للأغراض العامة (GPOS) ونظام التشغيل في الوقت الحقيقي (RTOS)

تطبيقات الوقت الحقيقي Operaنظام تينج

تستخدم أنظمة الوقت الحقيقي في:

• أنظمة حجز تذاكر الطيران.
• أنظمة مراقبة الحركة الجوية.
• الأنظمة التي توفر التحديث الفوري.
• أي نظام يوفر معلومات دقيقة ومحدثة عن أسعار الأسهم.
• أنظمة تطبيقات الدفاع مثل RADAR.
• أنظمة الوسائط المتعددة المتصلة بالشبكة.
• أنظمة القيادة والسيطرة.
• الاتصالات الهاتفية عبر الإنترنت.
• أنظمة منع انغلاق المكابح.
• أجهزة تنظيم ضربات القلب.

عيوب نظام RTOS

فيما يلي عيوب استخدام نظام التشغيل في الوقت الحقيقي (RTOS):

• يقوم نظام التشغيل في الوقت الحقيقي بتشغيل الحد الأدنى من المهام معًا ويركز فقط على التطبيقات التي تحتوي على خطأ، حتى يتمكن من تجنبها.
• يركز نظام التشغيل في الوقت الحقيقي على عدد قليل من المهام. لذلك، من الصعب حقًا على هذه الأنظمة القيام بمهام متعددة.
• هناك حاجة إلى برامج تشغيل محددة لنظام التشغيل في الوقت الحقيقي (RTOS) حتى يتمكن من توفير وقت استجابة سريع لإشارات المقاطعة، مما يساعد على الحفاظ على سرعته.
• يستهلك نظام التشغيل في الوقت الحقيقي الكثير من الموارد، مما يجعل هذا النظام مكلفًا.
• قد تحتاج المهام ذات الأولوية المنخفضة إلى الانتظار لفترة طويلة، لأن نظام التشغيل في الوقت الحقيقي يعطي الأولوية لدقة البرامج قيد التنفيذ.
• يتم إجراء الحد الأدنى من تبديل المهام في أنظمة التشغيل في الوقت الحقيقي.
• يستخدم خوارزميات معقدة يصعب فهمها.
• يستخدم نظام التشغيل في الوقت الحقيقي الكثير من الموارد، وهو أمر غير مناسب أحيانًا للنظام.

الأسئلة الشائعة