Операционная система реального времени (RTOS): компоненты, типы, примеры

⚡ Умное резюме

Операционная система реального времени (RTOS) обслуживает приложения, которые должны обрабатывать данные и реагировать на события в строгих, предсказуемых временных рамках, используя планирование на основе приоритетов и быстрое, детерминированное переключение задач, чтобы никогда не нарушались критически важные сроки.

🇧🇷 Определение: Операционная система реального времени обрабатывает входящие данные в рамках заданных временных ограничений, как правило, без задержки буферизации.
🎯 Зачем это использовать: Планирование на основе приоритетов разделяет критически важные задачи и обеспечивает модульное, проверяемое проектирование задач.
🧩 Компоненты: Планировщик задач, симметричная многопроцессорность, библиотека функций, управление памятью и быстрая задержка диспетчеризации.
🇧🇷 Типы: Жесткие, строгие и мягкие системы реального времени различаются по тому, насколько строго соблюдаются сроки.
️ GPOS против RTOS: Операционная система реального времени (RTOS) предназначена для встроенных устройств и обеспечивает минимальную и предсказуемую задержку прерываний.
🤖 Под углом к искусственному интеллекту: Машинное обучение работает на периферийных устройствах с RTOS, а Copilot ускоряет программирование под FreeRTOS.

Читать

Что такое режим реального времени Operating System (RTOS)?

A операционная система реального времени (RTOS) это операционная система Предназначена для обслуживания приложений реального времени, обрабатывающих данные по мере их поступления, в основном без задержки буферизации. Полное название RTOS — операционная система реального времени.

В операционной системе реального времени (RTOS) требования к времени обработки рассчитываются с шагом в десятые доли секунды. Это система с ограниченными по времени параметрами. В системах такого типа обработка должна выполняться в рамках заданных ограничений. В противном случае система выйдет из строя.

Зачем использовать RTOS?

Вот важные причины для использования операционной системы реального времени (RTOS):

Он предлагает планирование на основе приоритетов, которое позволяет отделить аналитическую обработку от некритической обработки.
Операционная система реального времени предоставляет функции API, позволяющие создавать более чистый и компактный код приложений.
AbstracУчет временных зависимостей и проектирование на основе задач приводят к уменьшению взаимозависимостей между модулями.
Операционная система реального времени (RTOS) предлагает модульную разработку на основе задач, что позволяет проводить модульное тестирование на основе задач.
API, основанный на задачах, способствует модульной разработке, поскольку каждая задача, как правило, имеет четко определенную роль. Это позволяет дизайнерам и командам работать независимо над своими частями проекта.
Операционная система реального времени (RTOS) работает на основе событий, не тратя время обработки на события, которые не происходят.

Компоненты ОСРВ

Компоненты реального времени Operaтинг система

Вот важные компоненты операционной системы реального времени (RTOS):

Планировщик: Этот компонент операционной системы реального времени определяет порядок выполнения задач, как правило, на основе их приоритета.

Симметричная многопроцессорная обработка (SMP): Это ряд разнообразных задач, которые может обрабатывать операционная система реального времени (RTOS), что позволяет осуществлять параллельную обработку.

Библиотека функций: Это важный элемент операционной системы реального времени, выступающий в качестве интерфейса для связи кода ядра и приложения. Приложение отправляет свои запросы ядру, используя библиотеку функций, чтобы получить желаемые результаты.

Управление памятью: Этот элемент необходим системе для выделения памяти каждой программе, и он является важнейшим элементом операционной системы реального времени (RTOS).

Быстрая задержка отправки: Это интервал между завершением задачи, которое может идентифицировать операционная система, и фактическим временем, необходимым потоку, находящемуся в очереди на выполнение, для начала обработки.

Определяемые пользователем объекты данных и классы: Операционная система реального времени (RTOS) использует языки программирования, такие как C или C++, которые должны быть организованы в соответствии с их эксплуатацией.

Типы ОСРВ

Существует три типа операционных систем реального времени (RTOS):

Жесткое реальное время

В жестко заданных RTOS крайний срок устанавливается очень строго, это означает, что выполнение задачи должно начаться в указанное запланированное время и завершиться в течение отведенного периода времени.

Пример: системы интенсивной терапии в медицине, авиационные системы и т. д.

Фирма в реальном времени

Этот тип RTOS также должен соблюдать сроки. Однако несоблюдение сроков может не иметь больших последствий, но может привести к нежелательным эффектам, таким как значительное снижение качества продукта.

Пример: Различные типы мультимедийных приложений.

Мягкое реальное время

В ОС реального времени с мягким режимом работы допускаются некоторые задержки со стороны операционной системы. В этом типе ОС реального времени для конкретной задачи устанавливается крайний срок, но небольшая задержка допустима. Таким образом, обработка крайних сроков в этом типе ОС реального времени осуществляется мягко.

Пример: системы онлайн-транзакций и системы котировок цен на скот.

Термины, используемые в ОСРВ

Вот основные термины, используемые в RTOS:

Задача: Группа взаимосвязанных задач, которые в совокупности обеспечивают некоторую функциональность системы.
Профессия: Задание — это небольшая часть работы, которую можно назначить процессору и которая может требовать или не требовать ресурсов.
Время выполнения задания: Это момент, когда работа готова к выполнению.
Срок выполнения работы: Это время, необходимое для завершения выполнения задачи.
Срок выполнения работы: Это время, к которому работа должна быть завершена.
Процессоры: Их также называют активными ресурсами. Они важны для выполнения работы.
Относительный крайний срок: Максимально допустимое время ответа задания называется его относительным крайним сроком.
Время ответа на задание: Это промежуток времени от момента запуска задания до момента его завершения.
Абсолютный срок: Это относительный крайний срок, который также включает время выпуска.

Особенности ОСРВ

Вот важные особенности RTOS:

Занимает очень мало памяти
Потребляет меньше ресурсов
Время ответа очень предсказуемо
Надежно работает даже в непредсказуемых условиях.
Ядро сохраняет состояние прерванной задачи, а затем определяет, какую задачу следует выполнить следующей.
Ядро восстанавливает состояние задачи и передает управление процессором этой задаче.

Факторы выбора ОСРВ

Вот основные факторы, которые необходимо учитывать при выборе операционной системы реального времени (RTOS):

Производительность: Производительность — наиболее важный фактор, который следует учитывать при выборе операционной системы реального времени.
Промежуточное ПО: Если в операционной системе реального времени отсутствует поддержка промежуточного программного обеспечения, возникает проблема трудоемкой интеграции процессов.
Без ошибок: Системы RTOS разработаны таким образом, чтобы быть безошибочными, поэтому вероятность возникновения ошибки при выполнении задачи минимальна.
Использование встроенных систем: Программы, используемые в RTOS, имеют небольшой размер, поэтому RTOS широко применяется для... встраиваемых систем.
Максимальное использование: Операционная система реального времени (RTOS) помогает добиться максимального использования системных ресурсов.
Перераспределение задач: Время, затрачиваемое на выполнение различных задач, очень короткое.
Уникальные черты: Хорошая операционная система реального времени должна обладать определенными возможностями и предлагать дополнительные функции, например, способы выполнения команд и эффективность защиты памяти системы.
Круглосуточная производительность: Операционная система реального времени (RTOS) идеально подходит для приложений, которым необходимо работать круглосуточно.

Разница между GPOS и RTOS

Общее назначение Operaтинговая система (GPOS)	Реальное время Operaтинговая система (RTOS)
Он используется для настольных ПК и ноутбуков.	Применяется только к встроенному приложению.
Планирование на основе процессов.	Используется планирование по времени, например, круговое планирование.
Задержка прерываний не считается столь важной, как в RTOS.	Задержка прерывания минимальна и измеряется несколькими микросекундами.
В системе отсутствует механизм инверсии приоритетов.	Механизм инверсии приоритетов присутствует, поэтому система не может его изменить.
Операция ядра может быть прервана, а может и нет.	Работа ядра может быть прервана.
Инверсия приоритетов остается незамеченной.	Гарантий предсказуемости нет.

Приложения реального времени Operaтинг система

Системы реального времени используются в:

Системы бронирования авиабилетов.
Системы управления воздушным движением.
Системы, обеспечивающие немедленное обновление.
Любая система, предоставляющая актуальную, точную информацию о ценах на акции.
Защитные прикладные системы, такие как RADAR.
Сетевые мультимедийные системы.
Системы управления.
Интернет-телефония.
Антиблокировочная система тормозов.
Кардиостимуляторы.

Недостатки ОСРВ

Вот недостатки использования операционной системы реального времени:

Операционная система реального времени (RTOS) выполняет минимальное количество задач одновременно и концентрируется только на тех приложениях, которые содержат ошибки, чтобы избежать их возникновения.
Операционная система реального времени (RTOS) концентрируется на выполнении нескольких задач. Поэтому таким системам очень сложно выполнять многозадачность.
Для обеспечения быстрого отклика на сигналы прерывания, что помогает поддерживать высокую скорость работы операционной системы реального времени (RTOS), требуются специальные драйверы.
Операционная система реального времени (RTOS) потребляет много ресурсов, что делает эту систему дорогостоящей.
Для задач с низким приоритетом может потребоваться длительное ожидание, поскольку операционная система реального времени отдает приоритет точности выполняемых программ.
В операционных системах реального времени переключение между задачами сведено к минимуму.
В ней используются сложные алгоритмы, которые трудно понять.
Операционная система реального времени (RTOS) потребляет много ресурсов, что порой нецелесообразно для системы.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

RTOS расшифровывается как Real-Time (операционная система реального времени). OperaСистема обработки данных. Она предназначена для обработки данных и реагирования на события в строгих, предсказуемых временных рамках, как правило, без задержки буферизации.

К популярным операционным системам реального времени относятся FreeRTOS, VxWorks, Zephyr, QNX, RTLinux и Micrium µC/OS. Они используются во встраиваемых, автомобильных, медицинских и промышленных устройствах, требующих детерминированной синхронизации.

Стандарт Windows Linux и другие операционные системы являются универсальными, а не системами реального времени. Существуют варианты, работающие в режиме реального времени, например, патч Linux PREEMPT_RT и другие. Windows Интернет вещей с расширениями для работы в реальном времени, для детерминированных рабочих нагрузок.

Джиттер — это вариация времени, за которое операционная система реального времени реагирует на событие. Меньший джиттер означает более предсказуемое время отклика, поэтому системы жесткого реального времени сводят его к минимуму.

Переключение контекста сохраняет состояние текущей задачи и загружает другую, чтобы планировщик мог запустить задачу с более высоким приоритетом. Быстрое переключение контекста обеспечивает предсказуемое время отклика RTOS.

Инверсия приоритетов происходит, когда задача с низким приоритетом удерживает ресурс, необходимый задаче с высоким приоритетом. Ядра RTOS используют наследование приоритетов или протоколы ограничения максимального значения для предотвращения длительных и непредсказуемых задержек.

Машинное обучение работает на периферийных устройствах на базе RTOS, обеспечивая обработку изображений в реальном времени, прогнозирование технического обслуживания и обнаружение аномалий. RTOS гарантирует необходимую синхронизацию для вывода данных ИИ, что важно для критически важных систем управления.

Да. GitHub Copilot может предлагать код для задач, очередей и семафоров для таких ядер, как FreeRTOS. Разработчикам по-прежнему необходимо проверять временные параметры, размеры стека и безопасность прерываний на целевом оборудовании.