Lubimy takie zagadnienia! Real-Time Operating System (RTOS), czyli system operacyjny czasu rzeczywistego. To system, który posiada dwie istotne cechy: przewidywalność i determinizm. W RTOS powtarzające się zadania są wykonywane o kreślonym czasie. W przypadku real-time operating system wiemy, jak długo potrwa dane zadanie i że zawsze, ale to zawsze przyniesie ten sam rezultat.
Na dzisiejszej lekcji przyjrzymy się temu ciekawemu zagadnieniu. Czym jest RTOS? Gdzie go wykorzystujemy? Zapraszamy do lektury!
Real-Time Operating System (RTOS) – definicja
RTOS to nic innego jak system operacyjny. Jednakże bardzo różni się od znanych nam systemów, chociażby OS-ów w naszych telefonach, które codziennie używamy. RTOS jest jak żołnierz – jest przeznaczony do szybkiego i skutecznego wykonywania zleconych mu zadań. Jest mały, czasami mierzy zaledwie kilka megabajtów, ma prosty interfejs graficzny i nie ma niepotrzebnych funkcji, jak np. przeglądarka Internetowa.
Real-Time systemy dzielą się na dwa rodzaje:
- Miękkie, które działają w ciągu kilkuset milisekund, w skali ludzkiej reakcji.
- Twarde, które zapewniają więcej odpowiedzi i działają w ciągu dziesiątek milisekund.
Cechy charakterystyczne dla real-time operating system (ROTS):
- Powtarzanie danych na wejściu, daje nam zawsze ten sam wynik.
- Bardzo wysoka wydajność. Jak już wspomnieliśmy, ten rodzaj systemu jest jak żołnierz – szybki i responsywny. Wykonuje działania w niewielkim ułamku sekund.
- Są bezpieczne. Bardzo często RTOS jest używany w krytycznych systemach, gdzie awarie mogą mieć naprawdę katastrofalne skutki (robotyka, kontrolery lotu).
- Planowanie skupiające się na priorytetach. Co to znaczy? Że wszystkie działania o wysokim priorytecie, są wykonywane jako pierwsze. Te, które mogą poczekać – czekają. Efekt? System RTOS wykona najważniejsze zadanie natychmiast.
- Mały ślad. Ten rodzaj systemu operacyjnego ważny ułamek rozmiaru systemów, które używamy na co dzień. Dla przykładu: Windows 10 z aktualizacjami zajmuje 20 GB.
Jak działa ten system operacyjny?
Jak wspomnieliśmy wcześniej, systemy RTOS dzielą się na miękkie i twarde.
Miękkie systemy RTOS mają zazwyczaj większe rozmiary plików, w porównaniu do twardych systemów. Miękkie RTOS-y są zazwyczaj używane w systemach, w których wykonanie danej czynności, nie musi zostać wykonane w trybie natychmiastowym. Ten rodzaj systemu znajdziemy w komputerach PC, aparatach fotograficznych czy smartfonach.
Z drugiej strony, mamy twarde systemy RTOS, które mają małe lub średnie pliki danych. Działają w kluczowych momentach obciążeń danego systemu. Zazwyczaj używane tam, gdzie systemy wymagają wykonania ważnych obliczeń, czyli czujniki samolotu, autopilota czy urządzenia medyczne.
Warto wiedzieć, że w przypadku twardych systemów operacyjnych czasu rzeczywistego, jeśli nie można wykonać danych obliczeń, wówczas cała operacja kończy się niepowodzeniem. W miękkim RTOS-ie system nadal działa, ale poszczególne zadania mogą być nieproduktywne.
Real-Time Operating System może też działać jako harmonogramy, gdzie poszczególne zadania możemy zaplanować, jako gotowe do uruchomienia lub zablokowania.
Architektura RTOS
Zazwyczaj te systemy mają monolityczną architekturę, składającą się z jądra i mikrojądra. Jądro jest rdzeniem całego systemu operacyjnego. Jest ono odpowiedzialne za zapewnienie podstawowych usług dla wszystkich innych części systemu. Jądra to główna warstwa, pomiędzy systemem operacyjnym a sprzętem.
Jądro tego systemu i wszystkie pozostałe procesy operacyjne współdzielą jedną przestrzeń. Dlatego też ta architektura działa szybko, w porównaniu z innymi konfiguracjami. W praktyce zapewnia lepszą wydajność. Mają jednak kluczową wadę-trudniej w niej przeprowadzić aktualizację. Co więcej, błąd programistyczny w systemie danych blików, protokole lub sterowniku może powodować awarię całego systemu.
Mikrojądro i cała jego architektura zawiera jedno jądro i operacje położone w różnych lokalizacjach. Ta architektura jest wolniejsza niż monolityczny RTOS. Dlaczego? Ponieważ każda akcja musi najpierw wrócić do jądra, zanim zostanie przeniesiona do odpowiedniego komponentu, do którego się odwołuje. Mikrojądro nie zawiera także wszystkich systemów plików.
Gdzie używamy tego rodzaju system operacyjny?
Ze względu na dużą ilość zalet, RTOS jest najczęściej wykorzystywany w systemach wbudowanych. Takich, które działają za kulisami większych operacji. Zazwyczaj RTOS nie posiada interfejsu graficznego. Co więcej, real-time operating system stosowany jest również w inteligentnych urządzeniach brzegowych (znanych również pod nazwą elektromechanicznych systemów brzegowych lub systemów cyberfizycznych).
RTOS zwraca również uwagę na zarządzanie złożnością. Kod danego projektu ma różne, niezależne wątki. Tym samym wykorzystanie real-time systemu może usprawnić procesy i pomóc w łatwiejszym zarządzaniu danym projektem.
RTOS vs. kryptowaluty
Może nie do końca kryptowaluty, jednak ten system operacyjny ma wiele wyzwań w Internecie rzeczy (IoT). Jak wiesz, sektor ten mierzy się z licznymi próbami, związanymi z systemami wbudowanymi. Producenci IoT muszą rozwiązywać problemy ze skalowalnością, bezpieczeństwem czy modułowością. Jak więc wykorzystać RTOS w tym sektorze?
Przede wszystkim – do skalowalności. Jeśli Internet rzeczy zapewni użytkownikom większą ilość produktów, będzie jeszcze bardziej zachęcający. Wykorzystanie, a przede wszystkim zrozumienie tego, jak działa system RTOS, może pomóc niektórym branżom w wyborze systemu operacyjnego czasu rzeczywistego, który będzie można skalować i spełnić unikalne wymagania w zupełnie różnych przypadkach użycia. RTOS w przypadku IoT musi sprostać potrzebom mocy obliczeniowej, wielkości i funkcjonalności pozostałych systemów IoT.
Łączność. Możemy powiedzieć, że też jest wyzwaniem dla real-time operating system w przypadku IoT. System operacyjny czasu rzeczywistego musi obsługiwać popularne i znane protokoły. Do tego dochodzą standardy komunikacyjne.
Bezpieczeństwo. Implementacja RTOS w sektorze IoT zapewni tę funkcję.
Wydajność. RTOS musi, a w zasadzie oferuje, bardzo solidny zestaw funkcji, który pomoże producentom IoT w zróżnicowaniu oferty produktów i zapewni im przewagę konkurencyjną.
System RTOS może być bardzo wydajny dla Internetu rzeczy. W długoterminowej perspektywie ten rodzaj systemu operacyjnego może otworzyć zupełnie nowe drzwi do produkcji rozwiązań dla IoT. Przede wszystkim, jak już wspomnieliśmy, RTOS poprawia szybkość, bezpieczeństwo i prywatności.
Co więcej, RTOS to doskonała podstawa do włączenia najnowocześniejszych funkcji do sektora IoT. Działanie i funkcjonalność systemu, oferują producentom IoT znaczną przewagę.
Popularne oprogramowania RTOS obejmują:
- FreeRTOS od Amazon Web Services,
- QNX Neutrino od BlackBerry,
- VxWorks z Wind River,
- SafeRTOS od firmy Wittenstein.
Podsumowanie
Real-Time Operating System jest przeznaczony dla aplikacji i procesów czasu rzeczywistego, które przetwarzają dane na bieżąco i nie mogą pozwolić sobie na opóźnienia. RTOS daje nam planowanie skupione na priorytetach, które pozwala nam oddzielić ważne akcje od tych, które mogą poczekać.
Ważną cechą tego systemu jest to, że zajmuje on bardzo mało pamięci i zużywa mniej zasobów. Jest więc bardzo wydajny, co jest jego kluczowym czynnikiem. Systemy operacyjne czasu rzeczywistego są używane w lotnictwie czy nawet medycynie.
Jednakże największą wadą RTOS jest to, że koncentruje się tylko na kilku zadaniach jednocześnie.
