מהי RTOS?
RTOS ראשי תיבות של Real-Time Operating System כלומר מערכות הפעלה בזמן אמת.
RTOS היא סוג של מערכת הפעלה המיועדת לשרת יישומים בזמן אמת המעבדים נתונים ישר מכניסתם
ללא עיכובים בבאפר.
דרישות זמן העיבוד נמדדות בעשיריות של שניות או במרווחי זמן קצרים יותר.
RTOS משמשות במערכות הדורשות רמה גבוהה של אמינות וביצועים במחשוב בזמן אמת כגון מערכות משובצות,
רובוטיקה ויישומים קריטיים לזמן.
RTOS שונה ממערכות הפעלה לשימוש כללי כמו Windows או Linux המיועדות למשימות הדורשות ממשקי משתמש
מורכבים ואינטראקציות משתמש גמישות.
במקום זאת, RTOS מתמקדת במתן תגובה דטרמיניסטית צפויה לאירועים חיצוניים.
RTOS מנהלת את משאבי החומרה של המחשב ויישומי התוכנה הפועלים עליו תוך התמקדות ראשונית בעמידה במגבלות
תזמון קפדניות (מחשוב בזמן אמת) ושמירה על תפוקת עיבוד עקבית.
סוגי RTOS
מערכות הפעלה בזמן אמת (RTOS) יכולות להיות מסווגות לסוגים שונים בהתבסס על אלגוריתמי התזמון שלהן והדרך
שבה הן מתמודדות עם משימות ותזמון.
להלן כמה מהסוגים העיקריים של RTOS:
מערכות זמן אמת קשות
למערכות אלו יש מגבלות תזמון קפדניות מאוד.
החמצת דד-ליין עלולה להוביל לכשל קטסטרופלי של המערכת.
מערכות זמן אמת קשות משמשות ביישומים קריטיים כגון מערכות תומכות חיים רפואיות, מערכות בקרת טיסה,
תעופה וחלל ומערכות בטיחות בתחנות כוח גרעיניות.
דוגמה: VxWorks, משמשת בתעופה.
מערכות זמן אמת רכות
מערכות אלו פחות מגבילות ממערכות קשות בזמן אמת.
בעוד שהן שואפות לטפל בכל המשימות בזמן אמת בזמן, החמצת דד-ליין מדי פעם אינה גורמת לכשל במערכת.
מערכות זמן אמת רכות משמשות ביישומים שבהם הביצועים הם קריטיים אך אינם מסכני חיים.
דוגמה: לינוקס עם תיקון PREEMPT_RT, בשימוש במולטימדיה ובידור, יכולה לסבול עיכובים מסוימים בעיבוד הנתונים.
מערכות זמן אמת מוצקות
מערכות אלו נמצאות בין מערכות בזמן אמת קשות ורכות.
החמצת דד-ליין מדי פעם אינה גורמת לכשל במערכת אך עלולה לפגוע באיכות המערכת או בביצועיה באופן משמעותי.
מערכות זמן אמת מוצקות משמשות ביישומים כמו הזרמת נתונים או משימות עיבוד אצווה שבהם הנתונים חשובים
אך ניתן לסבול עיכובים מסוימים.
יכולות זמן אמת מוצקות עשויות להיכלל בפתרונות RTOS מותאמים אישית ספציפיים לתעשיות או ליישומים מסוימים.
RTOS מבוסס על תזמון משימות
ניתן גם לסווג RTOS על סמך אופי התזמון שלהם:
RTOS תזמון מנע
למשימות מוקצים סדרי עדיפויות, והמתזמן יכול להפריע למשימה הפועלת כעת אם משימה בעדיפות גבוהה
יותר תהיה מוכנה להפעלה.
סוג זה של RTOS מתאים ליישומים שבהם אין לעכב משימות קריטיות על ידי משימות פחות קריטיות.
דוגמה: FreeRTOS, נפוצה במערכות משובצות בשל המודולריות והגמישות שלה.
RTOS תזמון שיתופי
המשימות פועלות עד שהן מניבות שליטה מרצון או משלימות את ביצוען.
זה מפשט את התכנון ומפחית את התקורה, אך תוך סיכון של משימה עם עדיפות נמוכה יותר לחסום מטלות
בעדיפות גבוהה יותר אם לא מנוהלת בקפידה.
דוגמה: uC/OS-II, הפופולרית במערכות משובצות שבהן המשימות מוגדרות היטב ולא סביר שייחסמו אחת את השנייה.
RTOS תזמון משבצות זמן
לכל משימה ניתנת משבצת זמן קבועה (פרוסה) לביצוע באופן סיבובי.
זה יכול להיות יעיל במערכות שבהן למשימות יש סדרי עדיפויות דומים והמערכת דורשת הגינות בעיבוד המשימות.
משמשת בשילוב עם מתזמנים מונעים כדי לשמור על הוגנות בין משימות באותה רמת עדיפות.
כל סוג של RTOS מתאימה לדרישות ואילוצים שונים של יישומים, תוך שימת דגש על הצורך של מפתחים לבחור RTOS
בהתבסס על דרישות התזמון, הביצועים והאמינות הספציפיים של הפרויקט הספציפי שלהם.
שימושים של RTOS
RTOS משמשות במגוון רחב של יישומים שבהם ביצוע בזמן ודטרמיניסטי של משימות הוא חיוני.
להלן כמה שימושים נפוצים של RTOS:
מערכות משובצות: מערכות משובצות רבות באלקטרוניקה לרכב, מכונות תעשייתיות ומכשירי חשמל ביתיים משתמשות
ב-RTOS כדי לנהל את הפעולות המבוססות על מיקרו-בקר.
זה יכול לכלול ניהול יחידות בקרת מנוע ברכבים ועד שליטה על גופי החימום בתנור.
אלקטרוניקה לצרכן: מכשירים כמו שעונים חכמים, מצלמות ואלקטרוניקה אישית אחרת משתמשים לרוב ב-RTOS
כדי להבטיח התנהגות מגיבה וצפויה, במיוחד לטיפול בתשומות משתמשים וניהול פלטי מכשירים.
טלקומוניקציה: RTOS משמשות בציוד תקשורת כגון נתבי רשת, מתגים ותחנות בסיס סלולריות, שם הם מנהלות
את העיבוד המהיר של מנות נתונים ואיתות ללא עיכובים.
מכשירים רפואיים: מכשירים רפואיים קריטיים כמו מדי דופק, מאווררים וציוד אבחון וטיפול אחר מסתמכים על RTOS
לניטור ובקרה מדויקים בזמן אמת החיוניים לבטיחות המטופל.
צבא ותעופה: ביישומי תעופה וחלל, RTOS משמשות במערכות כגון מחשבי בקרת טיסה, מערכות בקרה לווייניות ופלטפורמות
קריטיות אחרות שבהן כשל עלול לגרום לתוצאות קטסטרופליות.
מערכות בקרה תעשייתיות: RTOS הן חלק בלתי נפרד מההפעלה של מערכות בקרה תעשייתיות כמו בקרי PLC וזרועות רובוטיות,
שבהן יש צורך בתזמון מדויק וברצף של פעולות.
יישומי IoT: ככל שמכשירי IoT הופכים נפוצים יותר, הצורך ב-RTOS גדל ביישומים הדורשים זמני תגובה מהירים והפעלה
אמינה בתנאי מחשוב מוגבלים.
מערכות RTOS נפוצות
ישנן מספר מערכות הפעלה ידועות בזמן אמת (RTOS) המשמשות בתעשיות שונות עבור מערכות משובצות,
התקני IoT ויישומים קריטיים.
להלן רשימה של RTOS נפוצות:
FreeRTOS
נפוצה בשל אופי הקוד הפתוח והרבגוניות שלה על פני ארכיטקטורות מיקרו-בקרים שונות.
FreeRTOS מיועדת לצריכת זיכרון מינימלית והיא נפוצה במכשירים משובצים קטנים.
VxWorks
VxWorks, שפותחה על ידי Wind River Systems, היא אחת ה-RTOS המובילות בתחום התעופה והחלל, הרכב והתעשייה.
VxWorks ידועה ביכולות המדרגיות שלה, בתכונות האבטחה המתקדמות שלה ובתמיכה במגוון רחב של חומרה.
RTOS-32
מערכת הפעלה בזמן אמת קומפקטית, ניתנת להרחבה, בעלת ביצועים גבוהים המיועדת ליישומים משובצים קריטיים לזמן
הדורשים התנהגות חזקה ודטרמיניסטית בסביבות מעבדים ומיקרו-בקרים.
QNX
מערכת הפעלה בזמן אמת מסחרית דמוית Unix, המכוונת בעיקר לשוק המערכות המשובצות.
QNX פופולרית למדי בתעשיית הרכב, במיוחד עבור מערכות מידע בידור לרכב.
ThreadX
ThreadX, שפותחה על ידי Express Logic, ידועה בטביעת הרגל הקטנה שלה, בביצוע המהיר וב-API הפשוט שלה.
ThreadX נפוצה מאוד באלקטרוניקה, מכשירים רפואיים ויישומי רכב.
µC/OS-II ו- µC/OS-III
שתיהן RTOS ניתנות להגדרה המציעים ריבוי משימות מונעות עבור מערכות משובצות, שפותחו על ידי Micrium.
גם µC/OS-II וגם µC/OS-III נועדו לקבל דפוסי ביצוע צפויים והן פופולריות במסגרות אקדמיות ותעשייתיות.
embOS
פותחה על ידי SEGGER Microcontroller GmbH.
embOS מספקת API פשוט ותומכת במגוון רחב של מיקרו-בקרים וסביבות פיתוח.
embOS ידועה ביעילותו ומשמשת ביישומים החל מבקרים תעשייתיים ועד מוצרי אלקטרוניקה.
Zephyr
פרויקט של קרן לינוקס, Zephyr היא RTOS בקוד פתוח התומכת בארכיטקטורות חומרה מרובות,
המכוון להתקנים מחוברים מוגבלים במשאבים.
RIOT
RIOT היא RTOS מבוססת מיקרו-קרנל בקוד פתוח שפותחה בעיקר עבור מכשירי IoT.
RIOT תומכת במגוון של מכשירים אלחוטיים בעלי הספק נמוך ורשתות IoT.
ERIKA Enterprise
RTOS בקוד פתוח התומכת במערכות מרובות ליבות ותואמת לתקני הרכב AUTOSAR ו-ISO 26262
למערכות הקשורות לבטיחות.
שפות תכנות RTOS
תכנות RTOS יכול להתבצע באמצעות מספר שפות תכנות, אך בחירת השפה תלויה לרוב בדרישות המערכת,
החומרה והתכונות הספציפיות של ה-RTOS.
להלן שפות התכנות הנפוצות ביותר לפיתוח RTOS:
שפת C
נפוצה ביותר בתכנות RTOS בשל יכולותיה הקרובות לחומרה המאפשרות שליטה מדויקת על משאבי המערכת.
C יעילה ונתמכת על ידי כמעט כל פלטפורמות RTOS.
דוגמאות: FreeRTOS, VxWorks ו-µC/OS כולם מתוכנתות ב-C.
C++
מציעה יכולות מונחות עצמים, שיכולות להועיל לניהול עיצובים מורכבים ושימוש חוזר בקוד ביישומי RTOS גדולים.
משתמשים ב-C++ במקום בו יש צורך בהפשטה ועקרונות הנדסת תוכנה גבוהים כמו מודולריות, אנקפסולציה וירושה.
דוגמאות: חלק מה-RTOS כמו QNX ו-VxWorks תומכים ב-C++ לפיתוח יישומים.
Assembly
משמשת עבור חלקים קריטיים לביצועים של המערכת או כאשר יש צורך בשליטה מדויקת על החומרה.
תכנות שפת Assembly משמש לכתיבת מנהלי התקנים ברמה נמוכה ושגרות שיבושים בשירות בתוך יישומים מבוססי RTOS.
שימוש: מוגבל בדרך כלל לשגרות קריטיות לביצועים או ספציפיות לחומרה בשל המורכבות שלה ותחזוקה נמוכה יותר.
Ada
Ada ידועה בהקלדה חזקה, בדיקת זמן ריצה עמוקה ותכונות עיבוד מקבילי.
Ada פופולרית במיוחד ביישומים בעלי שלמות גבוהה ויישומים קריטיים לבטיחות, כגון תעופה וחלל והגנה.
דוגמאות: Ada משמשת בסביבות RTOS הדורשות תקני בטיחות מחמירים, כגון במערכות אוויוניות הנשלטות על ידי תקנים כמו DO-178C.
Python
כמה RTOS מודרניים תומכים ב-Python עבור תכנות יישומי היי לבל.
Python שימושית במיוחד במכשירי IoT ובאב-טיפוס מהיר שבהם קלות הפיתוח והמהירות קריטיות יותר משליטה במערכת לאו לבל.
דוגמאות: ניתן להשתמש ב-MicroPython ב-Zephyr או בפלטפורמות RTOS קלות משקל אחרות לפיתוח יישומי IoT.
Java
Java משמשת בכמה מערכות משובצות ובזמן אמת שבהן קלות השימוש, הספריות הנרחבות ותכונות האבטחה שלה
גוברים על הצורך בשליטה במערכת לאו לבל.
Java מציעה ניהול זיכרון אוטומטי, שיכול להיות חיסרון בסביבת RTOS מסורתית אך מועיל בסביבות RTOS מנוהלות.
דוגמאות: פלטפורמות כמו Java ME (Micro Edition) מיועדות למערכות משובצות, ומספקות JVM קומפקטי
להפעלת יישומי Java בסביבה מוגבלת משאבים.
Rust
בחירה מתפתחת בפיתוח RTOS בשל ההתמקדות בבטיחות ובמקבילות.
Rust מציעה ערבויות בטיחות זיכרון ונחשבת יותר ויותר לתכנות מערכת ביישומים קריטיים לבטיחות.
דוגמאות: Rust נתמכת על ידי כמה פלטפורמות RTOS חדשות יותר המחפשות למנף את תכונות הבטיחות שלה,
כמו TockOS למערכות משובצות מאובטחות.
מחפש פיתוח RTOS? פנה עכשיו!
