Операционная система реального времени против обычной: как выбрать RTOS

Когда необходимо использовать RTOS?

RTOS необходима, когда при наличии нескольких процессов и устройств время выполнения процессов важнее, чем средняя производительность. Иными словами, RTOS необходима, когда стоит задача запуска нескольких процессов в определенное время. Она гарантирует тайминг выполнения требуемых задач, имеет меньшую задержку, может точно определить, выполнена ли задача, и дает возможность выполнять как срочные, так и некритичные по времени задачи.

RTOS эффективно использует прерывания, основанные на приоритете в расписании. В отличие от ОС общего назначения, она обеспечит выполнение задач в срок, вне зависимости от складывающегося сценария.

Отличительная особенность RTOS - в том, что она должна быть многопоточной, работать на опережение и обеспечивать приоритетность потока. RTOS включает систему наследования по приоритету, предсказуемо поддерживает синхронизацию потоков и имеет механизм предотвращения инверсии приоритетов. Инверсия приоритетов – это ситуация, при которой менее значимая задача использует ресурсы более важной задачи, откладывая ее решение. Кроме того, одним из основных свойств RTOS является предсказуемость задержки при обработке прерывания.

Разработчики RTOS должны детально информировать пользователей об уровнях системных прерываний, системных вызовах и таймингах. Им необходимо знать максимальное время, в течение которого ОС и драйверы маскируют прерывания. Задержка прерывания, то есть время между его возникновением и запуском инициируемой прерыванием задачи, должна быть предсказуема и соответствовать требованиям приложения. В качестве примеров RTOS можно привести VxWorks, QNX, Win CE, pSOS, Nucleus® RTOS, FreeRTOS™, Zephyr™ Project.

На что обратить внимание при выборе RTOS:

• Какими возможностями в режиме реального времени обладает система? Заложено ли в ней применение мягкой или жесткой обработки прерывания, и какие имеются сервисы планирования?
• Поддерживает ли целевой процессор необходимую RTOS? Применялась ли она для таких задач ранее?
• Насколько велик объем, который RTOS занимает в памяти? Для устройств IoT требуется, чтобы система занимала небольшие объемы памяти, поэтому лучше использовать Zephyr или, возможно, FreeRTOS. То, как вы настроите RTOS, также повлияет на объем, который будет занимать система в памяти устройства, поскольку объем памяти зависит от служб, которые используются приложением.
• Каковы задержки обработки прерываний?
• Как долго происходит переключение контекстов? (Задержка переключения контекста – это время, необходимое для записи состояния процесса или потока и его последующего запуска с момента остановки. В такой ситуации несколько процессов смогут использовать один процессор).
• Какие интерфейсы требуются для решения задачи, и возможна ли их работа с выбранной RTOS?
• Возможны ли отладка и настройка RTOS с выбранным процессором, присутствуют ли необходимые для приложения драйверы?
• Какие средства разработки и отладки совместимы с RTOS?
• Какова стоимость RTOS, доступность исходных кодов? В случае открытого исходного кода следует уточнить совместимость лицензий и проверить стабильность работы ядра.
• Доступность и качество технической документации или форум поддержки разработчиков.
• Какова репутация поставщика RTOS?
• Может ли конкурирующая компания приобрести RTOS (а затем отказаться от ее поддержки)?
• Насколько гибок алгоритм планирования? Например, алгоритмы FIFO, циклический алгоритм (round Robin), монотонный, спорадический и так далее.
• Есть ли возможность удаленной диагностики?
• Какая RTOS необходима: жесткая или мягкая?

Системы жесткого и мягкого реального времени

Система жесткого реального времени гарантирует, что задачи будут выполнены в пределах установленного дедлайна – предельного времени завершения задачи. Такая система обычно требуется, когда возможна гибель людей, если сроки обработки (дедлайна) не соблюдаются. Пример жесткого реального времени - система останова АЭС или система управления полетом.

Мягкая система реального времени более щадящая; сроки важны, но только в средневзвешенном смысле. Примером мягкой системы реального времени является система сбора данных. Firm RTOS- нечто среднее между мягкой и жесткой. Эта система, в основном, работает как мягкая, но также может иметь несколько жестких дедлайнов.

Заметим, что жесткий и мягкий режимы реального времени не обязательно связаны с абсолютным значением времени.