System operacyjny czasu rzeczywistego (RTOS): składniki, typy, przykłady
Nathaniela Brooksa
⚡ Inteligentne podsumowanie
System operacyjny czasu rzeczywistego (RTOS) obsługuje aplikacje, które muszą przetwarzać dane i reagować na zdarzenia w ramach ścisłych, przewidywalnych ram czasowych, stosując harmonogramowanie oparte na priorytetach i szybkie, deterministyczne przełączanie zadań, aby nigdy nie przegapić krytycznych terminów.
Co to jest czas rzeczywisty Operasystem operacyjny (RTOS)?
A system operacyjny czasu rzeczywistego (RTOS) jest system operacyjny Przeznaczony do obsługi aplikacji czasu rzeczywistego, które przetwarzają dane w miarę ich napływu, głównie bez opóźnień buforowych. Pełna nazwa RTOS to system operacyjny czasu rzeczywistego.
W systemie czasu rzeczywistego (RTOS) wymagania czasowe przetwarzania są obliczane w jednostkach dziesiątych sekundy. Jest to system ograniczony czasowo i z ustalonymi ograniczeniami czasowymi. W tym typie systemu przetwarzanie musi odbywać się w ramach określonych ograniczeń. W przeciwnym razie system ulegnie awarii.
Dlaczego warto używać systemu RTOS?
Oto ważne powody korzystania z systemu czasu rzeczywistego (RTOS):
- Oferuje planowanie oparte na priorytetach, co pozwala oddzielić przetwarzanie analityczne od przetwarzania niekrytycznego.
- System operacyjny czasu rzeczywistego udostępnia funkcje API umożliwiające pisanie czystszego i mniejszego kodu aplikacji.
- Abstraczależności czasowe i projektowanie zorientowane na zadania skutkują mniejszą liczbą współzależności między modułami.
- System operacyjny czasu rzeczywistego (RTOS) oferuje modułowe, oparte na zadaniach programowanie, co pozwala na modułowe, oparte na zadaniach testowanie.
- API oparte na zadaniach sprzyja modułowemu rozwojowi, ponieważ zadanie zazwyczaj ma jasno zdefiniowaną rolę. Pozwala to projektantom i zespołom pracować niezależnie nad swoimi częściami projektu.
- System operacyjny czasu rzeczywistego jest sterowany zdarzeniami, co oznacza, że nie marnuje czasu przetwarzania na zdarzenia, które nie występują.
Składniki RTOS
Składniki czasu rzeczywistego Operasystemu
Oto najważniejsze elementy systemu czasu rzeczywistego (RTOS):
Harmonogram: Ten komponent systemu czasu rzeczywistego decyduje o kolejności wykonywania zadań, zazwyczaj na podstawie ich priorytetu.
Symetryczne przetwarzanie wieloprocesorowe (SMP): System czasu rzeczywistego może obsługiwać wiele różnych zadań, co umożliwia przetwarzanie równoległe.
Biblioteka funkcji: Jest to ważny element systemu operacyjnego czasu rzeczywistego (RTOS), który działa jako interfejs łączący jądro z kodem aplikacji. Aplikacja wysyła żądania do jądra za pomocą biblioteki funkcji, aby móc generować pożądane rezultaty.
Zarządzanie pamięcią: Element ten jest potrzebny w systemie do przydzielania pamięci każdemu programowi i jest najważniejszym elementem systemu czasu rzeczywistego (RTOS).
Szybkie opóźnienie wysyłki: Jest to odstęp czasu między zakończeniem zadania, który system operacyjny może zidentyfikować, a rzeczywistym czasem, jakiego potrzebuje wątek znajdujący się w kolejce zadań gotowych do rozpoczęcia przetwarzania.
Obiekty i klasy danych zdefiniowane przez użytkownika: System operacyjny czasu rzeczywistego (RTOS) wykorzystuje języki programowania, takie jak C lub C++, które powinny być zorganizowane zgodnie z ich działaniem.
Rodzaje RTOS
Istnieją trzy typy systemów czasu rzeczywistego (RTOS):
Trudny czas rzeczywisty
W przypadku twardego systemu czasu rzeczywistego terminy są przestrzegane bardzo rygorystycznie, co oznacza, że wykonywanie danego zadania musi rozpocząć się w określonym zaplanowanym czasie i musi zostać ukończone w wyznaczonym czasie.
Przykład: systemy opieki krytycznej, systemy lotnicze itp.
Firma w czasie rzeczywistym
Ten typ systemu czasu rzeczywistego (RTOS) również musi dotrzymywać terminów. Jednak ich niedotrzymanie może nie mieć dużego wpływu, ale może spowodować niepożądane skutki, takie jak znaczne obniżenie jakości produktu.
Przykład: Różne rodzaje aplikacji multimedialnych.
Miękki czas rzeczywisty
Miękki system czasu rzeczywistego (RTOS) akceptuje pewne opóźnienia ze strony systemu operacyjnego. W tym typie systemu RTOS dla konkretnego zadania przypisany jest termin, ale niewielkie opóźnienie jest akceptowalne. Zatem ten typ systemu RTOS obsługuje terminy w sposób miękki.
Przykład: Systemy transakcji online i systemy wyceny cen zwierząt gospodarskich.
Terminy stosowane w RTOS
Poniżej przedstawiono podstawowe terminy stosowane w systemie czasu rzeczywistego (RTOS):
- Zadanie: Grupa powiązanych ze sobą zadań, które razem zapewniają pewną funkcjonalność systemu.
- Praca: Zadanie to niewielka część pracy, którą można przypisać procesorowi i która może, ale nie musi, wymagać zasobów.
- Czas zwolnienia zadania: Jest to moment, w którym zadanie jest gotowe do wykonania.
- Czas realizacji zlecenia: Jest to czas potrzebny na ukończenie wykonania zadania.
- Termin wykonania pracy: Jest to czas, w którym zadanie powinno zostać wykonane.
- Procesory: Są one również znane jako zasoby aktywne. Są ważne dla wykonania zadania.
- Termin względny: Maksymalny dopuszczalny czas reakcji na zadanie nazywany jest jego względnym terminem ostatecznym.
- Czas reakcji zadania: Jest to okres czasu od momentu wydania zadania do chwili jego zakończenia.
- Bezwzględny termin: Jest to termin względny, obejmujący również czas wydania.
Funkcje RTOS-u
Oto ważne cechy RTOS:
- Zajmuje bardzo mało pamięci
- Zużywa mniej zasobów
- Czasy reakcji są wysoce przewidywalne
- Działa niezawodnie nawet w nieprzewidywalnym środowisku
- Jądro zapisuje stan przerwanego zadania i następnie ustala, które zadanie należy uruchomić jako następne.
- Jądro przywraca stan zadania i przekazuje kontrolę procesora temu zadaniu.
Czynniki wpływające na wybór systemu RTOS
Oto podstawowe czynniki, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze systemu czasu rzeczywistego (RTOS):
- Wydajność: Wydajność jest najważniejszym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę przy wyborze systemu czasu rzeczywistego (RTOS).
- Oprogramowanie pośrednie: Jeżeli w systemie operacyjnym czasu rzeczywistego nie ma wsparcia oprogramowania pośredniczącego, pojawia się problem czasochłonnej integracji procesów.
- Bez błędów: Systemy RTOS są projektowane tak, aby były wolne od błędów, więc ryzyko wystąpienia błędu podczas wykonywania zadania jest minimalne.
- Wykorzystanie systemów wbudowanych: Programy systemu RTOS są niewielkie, dlatego system RTOS jest szeroko stosowany systemy wbudowane.
- Maksymalne wykorzystanie: System czasu rzeczywistego (RTOS) pomaga w maksymalnym wykorzystaniu zasobów systemowych.
- Przenoszenie zadań: Czas realizacji zadań jest bardzo krótki.
- Cechy szczególne: Dobry system czasu rzeczywistego (RTOS) powinien być funkcjonalny i oferować dodatkowe funkcje, na przykład sposób wykonywania poleceń i efektywność ochrony pamięci systemu.
- Wydajność 24/7: System operacyjny czasu rzeczywistego (RTOS) jest idealnym rozwiązaniem dla aplikacji, które muszą działać 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu.
Różnica między GPOS i RTOS
| Ogólny cel Operasystem tingowy (GPOS) | Real-Time OperaSystem tingowy (RTOS) |
| Stosowany jest w komputerach stacjonarnych i laptopach. | Ma zastosowanie tylko do aplikacji wbudowanej. |
| Harmonogramowanie oparte na procesach. | Używane jest planowanie oparte na czasie, podobne do planowania karuzelowego. |
| Opóźnienie przerwania nie jest uważane za tak istotne jak w systemie czasu rzeczywistego (RTOS). | Opóźnienie przerwania jest minimalne, mierzone w kilku mikrosekundach. |
| W systemie nie ma mechanizmu odwracania priorytetów. | Mechanizm inwersji priorytetów jest obecny, więc nie może zostać zmodyfikowany przez system. |
| Działanie jądra może być lub nie być wywłaszczone. | Działanie jądra można wyprzedzić. |
| Odwrócenie priorytetów pozostaje niezauważone. | Brak gwarancji przewidywalności. |
Zastosowania czasu rzeczywistego Operasystemu
Systemy czasu rzeczywistego wykorzystywane są w:
- Systemy rezerwacji linii lotniczych.
- Systemy kontroli ruchu lotniczego.
- Systemy zapewniające natychmiastową aktualizację.
- System zapewniający aktualne i bieżące informacje o cenach akcji.
- Systemy aplikacji obronnych, takie jak RADAR.
- Sieciowe systemy multimedialne.
- Systemy kontroli dowodzenia.
- Telefonia internetowa.
- Układ zapobiegający blokowaniu kół podczas hamowania.
- Rozruszniki serca.
Wady RTOS-u
Oto wady korzystania z systemu czasu rzeczywistego (RTOS):
- System czasu rzeczywistego (RTOS) uruchamia minimalną liczbę zadań jednocześnie i koncentruje się tylko na tych aplikacjach, w których występuje błąd, dzięki czemu może ich uniknąć.
- System operacyjny czasu rzeczywistego koncentruje się na kilku zadaniach. Dlatego też trudno jest tym systemom wykonywać wiele zadań jednocześnie.
- Aby system operacyjny czasu rzeczywistego (RTOS) mógł szybko reagować na sygnały przerwania, co pomaga utrzymać jego prędkość, wymagane są specjalne sterowniki.
- System czasu rzeczywistego zużywa mnóstwo zasobów, co sprawia, że jest drogi.
- Zadania o niskim priorytecie mogą wymagać dłuższego oczekiwania, ponieważ system czasu rzeczywistego (RTOS) priorytetowo traktuje dokładność wykonywanych programów.
- W systemach operacyjnych czasu rzeczywistego przełączanie zadań odbywa się w minimalnym zakresie.
- Wykorzystuje skomplikowane algorytmy, które są trudne do zrozumienia.
- System RTOS zużywa wiele zasobów, które czasami nie są przydatne dla danego systemu.
