RTOS vs GPOS: подробное сравнение для выбора ОС вашего проекта

В этой современной эре мы видели множество программных и аппаратных решений, требующих операционной системы. Операционные системы помогают этим устройствам работать плавно и обрабатывать тонны разных задач. Однако, как энтузиаст электроники, вы, скорее всего, нуждаетесь в более глубоком понимании того, какой тип операционной системы вам нужен для вашего проекта. К счастью, у нас есть то, что вам нужно. В этой статье вы найдете все о RTOS vs GPOS, их сравнения и различные типы применений. Также, если вы просто хотите узнать больше об этих операционных системах, вы в правильном месте.

Готовы? Начнем.

Операционные системы общего назначения (GPOS)

GPOS — это операционная система, которая может управлять большим количеством процессов и завершать выполнение за единицу времени — что мы любим называть пропускной способностью (throughput). Иногда ОС общего назначения задерживала бы выполнение высокоприоритетного потока, чтобы выполнить пять или шесть низкоприоритетных процессов.

Рабочая станция компьютера

Так, чтобы достичь необходимой высокой пропускной способности, она бы обслуживала пять низкоприоритетных задач вместо выполнения одного высокоприоритетного процесса. Другими словами, если несколько низкоприоритетных задач стоят в очереди на выполнение, GPOS позволит этим задачам запуститься первыми, чтобы поддерживать свою высокую пропускную способность.

Теперь большинство операционных систем общего назначения используют политику справедливости для переноса процессов и потоков к ЦП.

Плюс, эта политика позволяет GPOS дать общий высокий выход, который требуют настольные и серверные приложения для эффективной работы.

Но она не может гарантировать, что высокоприоритетная задача или временно-критические потоки выполнятся перед низкоприоритетными потоками. Таким образом, операционная система общего назначения лучше работает для устройств, выполняющих множество задач одновременно.

Персональный компьютер (ПК)

Операционная система реального времени (RTOS)

С другой стороны, RTOS имеет дизайн, обрабатывающий временно-критические приложения с высокой точностью. Для того чтобы операционная система попала в эту категорию, она должна иметь максимальный период времени для каждой критической операции, которую она выполняет. Другими словами, это система, связанная во времени.

Операционная система реального времени довольно сложна. Но не волнуйтесь, мы разберем её для вас. У RTOS три основные функциональности: планировщик (scheduler), сервисы RTOS, синхронизация и обмен сообщениями.

Планировщик (The Scheduler)

Планировщик имеет три состояния: первое — готовое к запуску (ready to run), которое применяется к готовой задаче, которая может переключиться в запущенное состояние при необходимости. Второе — запущенное состояние (running), которое применяется, когда задача выполняется. Последнее — заблокированное состояние (blocked), когда задача не может запускаться и отправляется в заблокированное состояние.

Также есть три типа техник планирования:

Вытесняющее планирование задач / планирование на основе приоритетов (Pre-emptive Task Scheduling Method/Priority-Based Scheduling)

Техника вытесняющего планирования включает распределение времени, зависящее от приоритета. Здесь вы можете назначить уникальный уровень приоритета каждой задаче.

Кооперативное планирование (Co-operative Scheduling)

Здесь вы можете назначить фиксированный слот каждой задаче. Однако, если задача не завершает свое выполнение, она потеряет сгенерированные данные и подождет свой следующий ход.

Наконец, ядро заботится о создании задачи, изменении приоритета задачи, изменении состояния задачи и удалении задачи.

Сервисы RTOS (RTOS Services)

В сердце каждой операционной системы находится ядро. Ядро отвечает за управление и распределение ресурсов операционной системы. Однако задачи не всегда могут привлечь внимание ЦП, поэтому ядро должно предоставлять другие сервисы, такие как сервисы времени, сервисы ввода-вывода, сервисы обработки прерываний, сервисы управления памятью и сервисы управления устройствами.

Диаграмма ядра

Обмен сообщениями и синхронизация

Функциональность обмена сообщениями предлагает способ для RTOS общаться с другими системами между задачами. Сервисы обмена сообщениями включают почтовые ящики, каналы, очереди сообщений, флаги событий и семафоры.

Почтовые ящики, очереди сообщений и каналы могут отправлять сообщения между задачами, в то время как флаги событий могут синхронизировать все межзадачные активности. Также семафоры могут синхронизировать доступ к общим ресурсам.

RTOS (ОС реального времени) vs GPOS (ОС общего назначения)

Основное различие между RTOS и GPOS — это природа приложения (является ли оно временно-критическим или нет, или однозначным или многозначным). Хороший пример временно-критической системы — банкомат. Человек подождет 4 или 5 секунд, чтобы получить деньги из банкомата после нажатия кнопки подтверждения. Никто не хотел бы ждать пять минут после нажатия кнопки подтверждения.

Банкомат

С другой стороны, ПК имеют множественные цели, делая их системой, не являющейся временно-критической. Вы можете запускать различные приложения одновременно с ПК. Кроме того, нет определенного времени для выполнения чего-либо на ПК и даже на смартфоне. Например, сохранение документа может занять секунды или минуты в некоторых случаях. Но это зависит от количества запущенных процессов и задач.

Смартфон

Так, операционная система общего назначения работает для не временно-критических приложений и систем, таких как Linux, Windows и т.д.

Система Linux

В то время как операционные системы реального времени работают для временно-критических приложений, которым нужны быстрые и предсказуемые ответы — как UCOS, VxWorks и т.д.

Вот категории для дальнейшего объяснения различий между двумя операционными системами:

Планирование задач (Task Scheduling)

В категории планирования задач, GPOS не фокусируется на приоритете. Он обрабатывает планирование способом, доставляющим высокую пропускную способность. В случае RTOS планирование всегда фокусируется на приоритете. В отличие от GPOS, все высокоприоритетные процессы выполняются перед любым низкоприоритетным заданием.

Windows

Проблемы латентности (Latency Issues)

Вот одна главная проблема, которая страдает GPOS. Большинство GPOS имеют неограниченную задержку диспетчеризации — что означает, чем больше потоков для планирования, тем больше латентностей накапливаются. У RTOS нет таких проблем, так как все потоки и процессы имеют ограниченные латентности (потоки выполнятся в установленном временном лимите).

Экономические и аппаратные факторы

RTOS работает для автономных и низкоуровневых систем, как вендинговый автомат или банкомат. Плюс, RTOS мал и легок по сравнению с GPOS. Кроме того, GPOS работает для общих целей и высокоуровневых устройств, как рабочие станции или персональные компьютеры.

Высокоуровневые устройства

Вытесняемое ядро (Preemptible Kernel)

Одна главная проблема, когда речь идет о выполнении высокоприоритетного процесса первым, — это вытесняемое ядро. Так, если ядро не вытесняемо, то запрос от этого ядра немедленно переопределит все остальные запущенные процессы. В то время как ядро RTOS вытесняемо, ядро GPOS не является таковым.

Другими словами, выполнение высокоприоритетного процесса в GPOS не может вытеснить вызов ядра, в то время как высокоприоритетные процессы в RTOS всегда будут вытеснять низкоприоритетную задачу, если необходимо, и обрабатывать задачи вне вызова ядра как внешние процессы.

Оценка и выбор RTOS для разработки встраиваемого продукта

Прежде чем оценивать встроенное RTOS, соответствующее всем требованиям встраиваемых систем, убедитесь, что проверяете, поддерживает ли перспективное RTOS некоторые важные функции.

Чтобы сделать вещи легче для вас, вот структура этих критических функций:

Планировщики (Schedulers)

Планировщики операционных систем выполняют задачу решения того, когда ОС должна выполнить каждую задачу. Планировщики могут приостанавливать и возобновлять любую задачу в зависимости от доступных ресурсов и приоритета. Таким образом, встроенное RTOS должно иметь встроенный планировщик. Он позволит RTOS выполнять реальное время выполнения задач.

Программные таймеры (Software Timers)

Как подразумевает название, программные таймеры позволяют выполнение функций в пределах указанного временного окна. Не легко и не рекомендуется вручную создавать программный таймер для вашего RTOS, поэтому убедитесь, что выбираете RTOS со встроенным программным таймером.

Механизм очередей (Queuing Mechanism)

Очереди позволяют задачам обмениваться информацией. RTOS со встроенным механизмом очередей позволит обмен сообщениями между задачами.

Инструменты трассировки выполнения (Execution Trace Tools)

С инструментом трассировки вы можете легко наблюдать поведение систем реального времени в реальном времени. Таким образом, ваша команда разработки может отслеживать и обнаруживать любые ошибки и выполнение задач.

Низкий объем памяти (Low Memory Footprint)

Поскольку вам нужно интегрировать RTOS в платформу МК, перспективное RTOS должно иметь низкий объем памяти. Это означает, что общий размер не должен быть более 10% от общего размера МК.

Архитектура RTOS

Подведение итогов

Короче говоря, и RTOS, и GPOS хорошо работают в приложениях, сделанных для них. Хотя RTOP может выдавать меньшую пропускную способность, чем GPOS, это не означает, что его пропускная способность низкая.

Пока GPOS обрабатывает много тяжелых процессов, RTOP обрабатывает меньше задач с пропускной способностью, относительной к нагрузке системы.

Однако главная забота RTOS — доставка более предсказуемого шаблона выполнения и своевременного выполнения — не высокая пропускная способность. Хотя обратное верно для GPOS. Ну, это подводит итог всему о GPOS vs RTOS. Если у вас есть комментарии или вопросы, не стесняйтесь обращаться к нам. Мы будем рады помочь.