リアルタイム オペレーティング システム (RTOS): コンポーネント、タイプ、例
編集チーム
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リアルタイムオペレーティングシステム（RTOS）は、優先度ベースのスケジューリングと高速かつ決定論的なタスク切り替えを用いて、厳格で予測可能な時間制限内でデータを処理し、イベントに対応する必要のあるアプリケーションにサービスを提供し、重要な期限を逃すことがないようにする。
リアルタイムとは Operaティングシステム(RTOS)?
A リアルタイム オペレーティング システム (RTOS) あります オペレーティングシステム RTOSは、バッファ遅延をほとんど発生させずに、データが入力されると同時に処理するリアルタイムアプリケーション向けに設計されています。RTOSの正式名称はリアルタイムオペレーティングシステムです。
RTOS（リアルタイムオペレーティングシステム）では、処理時間の要件は10分の1秒単位で計算されます。これは、時間制約が固定された時間制約型システムです。このタイプのシステムでは、処理は指定された制約内で行われなければなりません。そうでなければ、システムは失敗します。
RTOS を使用する理由
RTOSを使用する重要な理由を以下に示します。
- 優先順位ベースのスケジューリングを提供するため、分析処理を重要でない処理から分離できます。
- リアルタイムOSは、より簡潔で小さなアプリケーションコードを可能にするAPI機能を提供する。
- 腹筋tracタイミング依存性を排除し、タスクベースの設計により、モジュール間の相互依存性が減少します。
- RTOSはモジュール式のタスクベース開発を提供し、それによってモジュール式のタスクベーステストが可能になります。
- タスクベースのAPIは、タスクには通常明確に定義された役割があるため、モジュール型の開発を促進します。これにより、設計者やチームはプロジェクトの各部分を独立して作業できます。
- RTOSはイベント駆動型であり、発生しないイベントに処理時間を浪費しない。
RTOS のコンポーネント
リアルタイムのコンポーネント Operaティングシステム
RTOSの重要な構成要素は以下のとおりです。
スケジューラ: RTOSのこのコンポーネントは、一般的にタスクの優先度に基づいて、タスクの実行順序を決定します。
対称型マルチプロセッシング（SMP）： これは、RTOSによって処理できる複数の異なるタスクの集合であり、並列処理を可能にするものです。
関数ライブラリ: これはRTOSの重要な要素であり、カーネルとアプリケーションコードを接続するインターフェースとして機能します。アプリケーションは関数ライブラリを使用してカーネルに要求を送信し、カーネルはそれによって目的の結果を生成できます。
メモリ管理： この要素は、システム内で各プログラムにメモリを割り当てるために必要であり、RTOSの中で最も重要な要素です。
高速ディスパッチレイテンシ： これは、OSが識別できるタスクの終了から、準備完了キューにあるスレッドが実際に処理を開始するまでにかかる時間までの間隔です。
ユーザー定義データオブジェクトとクラス： RTOSはC言語や C++、操作に応じて整理する必要があります。
RTOSの種類
RTOSには以下の3種類があります。
ハードリアルタイム
ハードRTOSでは、期限が非常に厳密に管理されます。つまり、特定のタスクは指定されたスケジュール時刻に実行を開始し、割り当てられた時間内に完了しなければなりません。
例：医療集中治療システム、航空機システムなど
しっかりしたリアルタイム
このタイプのRTOSも、期限を守る必要があります。ただし、期限を過ぎても大きな影響はないかもしれませんが、製品の品質が大幅に低下するなど、望ましくない結果を招く可能性があります。
例：さまざまな種類のマルチメディアアプリケーション。
ソフトリアルタイム
ソフトリアルタイムRTOSは、オペレーティングシステムからの多少の遅延を許容します。このタイプのRTOSでは、特定のジョブに対して期限が設定されていますが、わずかな遅延であれば許容されます。つまり、このタイプのRTOSは期限を柔軟に処理します。
例：オンライン取引システム、家畜価格見積もりシステム。
RTOS で使用される用語
RTOSで使用される重要な用語を以下に示します。
- 課題・テーマ： 関連する一連のタスクが連携して、システム機能の一部を提供する。
- ジョブ： ジョブは、プロセッサに割り当てることができる小さな作業であり、リソースを必要とする場合と必要としない場合があります。
- ジョブのリリース時間: それは、仕事が実行可能な状態になる時点のことです。
- ジョブの実行時間: それは、ジョブの実行が完了するまでにかかる時間です。
- 仕事の締め切り: それは、仕事が完了すべき期限のことです。
- プロセッサ： これらはアクティブ リソースとも呼ばれます。 それらはジョブの実行にとって重要です。
- 相対的な締め切り: ジョブの最大許容応答時間を相対期限と呼びます。
- ジョブの応答時間: これは、ジョブのリリース時刻からジョブが完了した瞬間までの時間です。
- 絶対期限: これは相対的な締め切りであり、リリース時間も含まれています。
RTOSの特徴
RTOS の重要な機能は次のとおりです。
- メモリ使用量が非常に少ない
- 消費する資源が少ない
- 応答時間は非常に予測可能です
- 予測不可能な環境下でも安定した性能を発揮します。
- カーネルは中断されたタスクの状態を保存し、次に実行すべきタスクを決定します。
- カーネルはタスクの状態を復元し、CPUの制御をそのタスクに渡します。
RTOS を選択するための要素
RTOSを選択する際に考慮すべき重要な要素は以下のとおりです。
- パフォーマンス： RTOSを選択する際に考慮すべき最も重要な要素は、パフォーマンスです。
- ミドルウェア： リアルタイムオペレーティングシステムにミドルウェアのサポートがない場合、時間のかかるプロセス統合の問題が発生する。
- エラーフリー: RTOSシステムはエラーが発生しないように設計されているため、タスクの実行中にエラーが発生する可能性は最小限に抑えられています。
- 組み込みシステムでの使用例： RTOSのプログラムはサイズが小さいため、RTOSは広く使用されています。 組込みシステム.
- 最大利用率： RTOSは、システムリソースを最大限に活用するのに役立ちます。
- タスクの切り替え： 業務の切り替え時間は非常に短い。
- ユニークな機能： 優れたRTOSは、高い処理能力を備えているだけでなく、コマンドの実行方法やシステムメモリの効率的な保護方法など、付加的な機能も提供すべきである。
- 24時間7日のパフォーマンス: RTOSは、24時間7日稼働する必要のあるアプリケーションに最適です。
GPOSとRTOSの違い
| 一般的用途 Operaティングシステム（GPOS） | リアルタイム Operaティングシステム（RTOS） |
| デスクトップPCとノートパソコンの両方で使用されます。 | 組み込みアプリケーションにのみ適用されます。 |
| プロセスベースのスケジューリング。 | 時間ベースのスケジューリング、例えばラウンドロビン方式などが用いられます。 |
| 割り込みレイテンシは、RTOSほど重要視されていません。 | 割り込み遅延は最小限であり、数マイクロ秒で測定されます。 |
| システムには優先度逆転メカニズムは存在しません。 | 優先順位逆転メカニズムが存在するため、システムによって変更することはできません。 |
| カーネルの動作は、プリエンプトされる場合もあれば、されない場合もある。 | カーネルの動作はプリエンプトされる可能性がある。 |
| 優先権の逆転は気づかれないままになっている。 | 予測可能性は保証されません。 |
リアルタイムの応用 Operaティングシステム
リアルタイム システムは次の用途で使用されます。
- 航空券予約システム。
- 航空交通管制システム。
- 即時更新を提供するシステム。
- 株価に関する最新の分単位の情報を提供するシステム。
- RADARのような防衛アプリケーションシステム。
- ネットワーク型マルチメディアシステム。
- 指揮統制システム。
- インターネット電話。
- アンチロックブレーキシステム。
- 心臓ペースメーカー。
RTOSの欠点
RTOSを使用する際の欠点は以下のとおりです。
- RTOSは最小限のタスクを同時に実行し、エラーを含むアプリケーションのみに集中することで、エラーを回避します。
- RTOSは少数のタスクに特化しているため、マルチタスク処理は非常に困難です。
- RTOSには、割り込み信号に対する高速な応答時間を提供し、その速度を維持するために、専用のドライバが必要です。
- RTOSは多くのリソースを消費するため、このシステムは高価になる。
- RTOSは実行中のプログラムの正確性を優先するため、優先度の低いタスクは長時間待機する必要がある場合があります。
- リアルタイムオペレーティングシステムでは、タスクの切り替えは最小限に抑えられます。
- それは複雑なアルゴリズムを使用しており、理解するのが難しい。
- RTOSは多くのリソースを消費するため、システムによっては適さない場合がある。
