System operacyjny czasu rzeczywistego w automatyce przemysłowej

W dobie cyfryzacji i automatyzacji przemysłu kluczową rolę odgrywają systemy wbudowane (ang. embedded), które sterują m.in. maszynami, robotami i urządzeniami IoT. Aby zapewnić im niezawodne działanie w ściśle określonym czasie, niezbędne jest oprogramowanie RTOS (ang. Real-Time Operating System). W tym artykule wyjaśnimy, czym jest system operacyjny czasu rzeczywistego, jakie są podejścia do zarządzania zadaniami w systemach wbudowanych, jakie wyróżnia się rodzaje systemów RTOS, jakie dają korzyści oraz gdzie znajdują zastosowania.

System Operacyjny Czasu Rzeczywistego (RTOS) – czym jest i dlaczego powstał?

Zanim omówimy sposób działania systemów operacyjnych czasu rzeczywistego oraz powody ich powstania, warto najpierw przypomnieć, jak funkcjonują klasyczne systemy operacyjne (OS). Takie spojrzenie ułatwi zrozumienie potrzeby powstania systemów RTOS oraz czym różnią się od tradycyjnych OS.

System operacyjny to oprogramowanie uruchamiane na komputerze lub mikrokontrolerze. Jego zadaniem jest zarządzanie zadaniami w tle oraz obsługa aplikacji użytkownika. Jądro systemu zarządza uruchomionymi procesami w taki sposób, aby każdemu z nich przydzielić czas procesora oraz inne zasoby, zapewniając ich niezakłócone działanie. Aby to zwizualizować, możemy wyobrazić sobie komputer, na którym jednocześnie działają np. przeglądarka internetowa, komunikator, mysz i klawiatura oraz program do obróbki zdjęć. Użytkownik może płynnie  z nich korzystać, ponieważ system operacyjny zarządza ich działaniem w tle, przydzielając im zasoby, takie jak moc obliczeniowa procesora, pamięć RAM czy dostęp do dysku.

Głównym celem systemów operacyjnych jest zapewnienie odpowiedniej interakcji oprogramowania z człowiekiem, stąd kolejność wykonywania zadań jest dobierana w taki sposób, aby opóźnienia w ich realizacji były akceptowalne dla użytkownika. Planowanie zadań odbywa się w sposób niedeterministyczny, co oznacza, że nie wiemy dokładnie, kiedy zostaną one wykonane oraz jak długo będą się wykonywać.

RTOS – deterministyczne i szybkie działanie

W wielu aplikacjach potrzebujemy systemu, który umożliwia precyzyjne zarządzanie czasem realizowanych zadań. Tu z pomocą przychodzi system operacyjny czasu rzeczywistego, który dostarcza mechanizmy pozwalające spełniać rygorystyczne ograniczenia czasowe i dotrzymywać ustalonych terminów. Systemy RTOS są stosowane tam, gdzie wymagana jest szybka reakcja na zdarzenia np. w motoryzacji podczas uruchomienia poduszek powietrznych czy kiedy kontrolka silnika musi zapalić się w odpowiednim momencie. Reakcja na te zdarzenia musi zadziać się w zdefiniowanym czasie, zyskać priorytet i przerwać działanie pozostałych zadań, ponieważ jej brak spowoduje poważne konsekwencje.

Podejścia do zarządzania zadaniami w aplikacjach embedded – Super Loop vs. RTOS

Jednym z najprostszych podejść do sterowania mikrokontrolerem, często stosowanych w małych aplikacjach embedded, jest Super Loop. Nieskończona pętla jest programem, w którym zadania są wykonywane sekwencyjnie, czyli najpierw zadanie 1, potem zadanie 2, następnie zadanie 3 i tak dalej. Zaletą Super Loop jest prosta implementacja oraz niewielkie zużycie zasobów, ponieważ nie wymaga dużej ilości pamięci do obsługi wielu wątków. Jednak jej ograniczeniem jest brak zdefiniowanego czasu wykonywania zadań, co może skutkować sytuacją, w której jedno z zadań trwa zbyt długo. Wtedy może dojść do utraty ważnych danych, przetwarzania nieaktualnych informacji czy spowolnienia działania całego systemu.

RTOS to bardziej zaawansowane podejście, które zarządza wieloma zadaniami jednocześnie i przydziela im zasoby systemowe na podstawie przypisanych im wcześniej priorytetów. W przeciwieństwie do Super Loop, RTOS pozwala uruchomić wiele zadań równocześnie, wykorzystując mechanizm planowania zadań, zwany planistą (ang. Scheduler). Każde zadanie działa w osobnym wątku (tasku), a system operacyjny, na podstawie priorytetów, decyduje, kiedy, jak często oraz jak długo powinno być wykonywane. Deterministyczne działanie daje gwarancję, że zadania zostaną wykonane w określonym czasie, a zarządzanie priorytetami pozwala przerywać te mniej istotne, aby obsłużyć krytyczne procesy. Ograniczeniem podejścia RTOS jest większe zużycie zasobów – np. pamięci RAM i Flash, większa złożoność kodu oraz trudniejsze debugowanie w porównaniu do Super Loop. Dodatkowo wymagane jest dopasowanie schedulera do wymagań aplikacji, aby działał zgodnie z oczekiwaniami.

Rodzaje systemów operacyjnych czasu rzeczywistego — jak możemy je pogrupować?

Od prostych do zaawansowanych

Istnieją RTOS-y, które zawierają jedynie moduł planowania zadań (ang. scheduler). W takich przypadkach programista musi samodzielnie zaimplementować lub zaimportować system plików oraz sterowniki urządzeń, aby dostosować RTOS do swoich wymagań. Przykładami wysokopoziomowych sterowników urządzeń są np. moduły Wi-Fi, Bluetooth oraz sterowniki LCD dla mikrokontrolerów. RTOS może współpracować z nimi, ale zazwyczaj wymagają one osobnej implementacji. W zależności od zastosowania można wybrać lekkie RTOS-y, takie jak FreeRTOS, lub bardziej rozbudowane rozwiązania, takie jak Zephyr, VxWorks czy QNX.ch.

Ze względu na czas reakcji

W zależności od rygorystyczności ograniczeń czasowych wyróżnia się miękkie, umiarkowane i twarde systemy czasu rzeczywistego. Każdy z tych typów różni się podejściem do obsługi opóźnień i konsekwencji ich wystąpienia.

Miękkie systemy operacyjne czasu rzeczywistego

Są to systemy, w których priorytetem jest minimalizacja opóźnień, ale ich sporadyczne wystąpienie nie powoduje katastrofalnych skutków. Systemy tego typu dążą do dostarczenia wyników w określonym czasie, jednak dopuszczają niewielkie przekroczenia czasowe. Takie opóźnienia mogą wpłynąć na jakość działania systemu, ale nie powodują jego awarii. Miękkie systemu czasu rzeczywistego znajdują zastosowania m.in. w audio i wideo, gdzie krótkie opóźnienia mogą skutkować gorszą jakością transmisji, ale nie ich całkowitym zatrzymaniem. Na przykład podczas regulacji głośności muzyki w samochodzie nie ma większego znaczenia, czy reakcja nastąpi 100 milisekund wcześniej, czy później – najważniejsze, że zadanie zostanie wykonane.

Umiarkowane systemy operacyjne czasu rzeczywistego

Są to systemy bardziej rygorystyczne niż miękkie systemy RTOS, ale nadal dopuszczają sporadyczne przekroczenia czasowe bez katastrofalnych skutków. Wykonanie zadania w określonym czasie jest wymagane, a niewielkie opóźnienia mogą wpływać na wydajność, lecz nie unieruchamiają całego systemu. Przykładem z życia codziennego działania takich systemów jest opóźnienie włączenia kierunkowskazu w samochodzie. Jeśli już dany manewr wykonamy, nie będzie dla nas miało znaczenia, jeśli uruchomi się on po pewnym czasie.

Twarde systemy operacyjne czasu rzeczywistego

Systemy, w których każde opóźnienie może prowadzić do poważnych konsekwencji, takich jak awaria systemu, zagrożenie życia lub duże straty finansowe. W takich systemach wszystkie operacje muszą być wykonane w ściśle określonym czasie, a jakiekolwiek przekroczenia są niedopuszczalne. Przykładem zastosowań są systemy kontroli ruchu lotniczego, gdzie każda milisekunda ma znaczenie i nawet najmniejsze opóźnienia mogą prowadzić do katastrof, oraz w motoryzacji np. podczas hamowania czy uruchomienia poduszek powietrznych. Podobnie także działają systemy medyczne, takie jak aparaty do podtrzymywania życia czy systemy monitorowania pacjentów, gdzie każde opóźnienie może skutkować zagrożeniem zdrowia lub życia.

Korzyści z zastosowania systemów czasu rzeczywistego — w pigułce

• deterministyczne działanie – RTOS zapewnia przewidywalne czasy reakcji, co jest kluczowe w systemach wymagających precyzji czasowej
• efektywne zarządzanie zadaniami – mechanizm planowania (scheduler) pozwala na priorytetyzację zadań i zapewnienie ich terminowego wykonania
• obsługa wielozadaniowości – możliwość równoczesnego wykonywania wielu zadań bez blokowania kluczowych operacji
• optymalne wykorzystanie zasobów – RTOS pozwala na efektywne zarządzanie pamięcią i czasem procesora, co jest kluczowe w systemach wbudowanych o ograniczonych zasobach
• wysoka niezawodność i stabilność – systemy RTOS są zaprojektowane do działania w wymagających warunkach, np. w automatyce przemysłowej, medycynie czy lotnictwie
• szybka reakcja na nagłe zdarzenia – mechanizmy przerwań (interrupts) i systemów kolejkowych zapewniają natychmiastową reakcję na krytyczne sytuacje
• integracja z mikrokontrolerami i urządzeniami IoT – RTOS jest zoptymalizowany pod kątem pracy na niskiej mocy, co czyni go idealnym rozwiązaniem dla systemów wbudowanych i IoT

Poznaj Albatros – RTOS stworzony z myślą o niezawodności i precyzji!

Albatros to system operacyjny czasu rzeczywistego opracowany przez AIUT, który zapewnia deterministyczne działanie, wysoką wydajność i optymalne zarządzanie zasobami. Jest wykorzystywany m.in. w zaawansowanych systemach monitoringu mediów, zarządzaniu infrastrukturą miejską, systemie lokalizacji w czasie rzeczywistym oraz autonomicznych robotach mobilnych, gwarantuje stabilność i bezpieczeństwo działania nawet w wymagających warunkach.

Sprawdź, jak Albatros RTOS może usprawnić pracę Twoich systemów!

Podsumowanie

Systemy RTOS odgrywają kluczową rolę w nowoczesnych aplikacjach wbudowanych – od sterowania robotami po urządzenia IoT i autonomiczne pojazdy. Dzięki deterministycznemu działaniu i efektywnemu zarządzaniu zasobami znajdują zastosowanie w najbardziej wymagających środowiskach. Ich niezawodność i precyzja sprawiają, że są niezbędnym elementem systemów, w których liczy się każda milisekunda.