O que é um sistema operacional em tempo real (RTOS)?

Esses sistemas são cruciais em aplicações como industrial automação, robótica, dispositivos médicos e sistemas embarcados onde atrasos ou falhas podem ter consequências graves. Os sistemas operacionais de tempo real também são comumente usados em ambientes de alto risco (por exemplo, aeroespacial e defesa) onde respostas em tempo real são essenciais para segurança e desempenho.

Um uso geral do sistema operacional (GPOS) e um sistema operacional de tempo real (RTOS) coordenam ambos os recursos de hardware do sistema (por exemplo, CPU, memória, dispositivos de I/O, armazenamento), mas diferem significativamente em seu foco e em seus recursos.

Sistemas operacionais, como Microsoft Windows, Linux e Unix, concentram-se em maximizar a eficiência geral do sistema e em suportar multitarefa, mas dependem de escalonamento não determinístico. Como sistemas que não operam em tempo real, eles podem não concluir sempre as tarefas no prazo, especialmente sob carga pesada ou em ambientes de virtual machine (VM) em que as máquinas virtuais compartilham recursos.

Em contraste com um SO de uso geral, o SO de tempo real destina-se a aplicações em tempo real e garante que as tarefas atendam a requisitos rigorosos de temporização, frequentemente em microssegundos. O sistema de tempo real gerencia recursos com escalonamento determinístico e finaliza tarefas de alta prioridade dentro de prazos específicos, mesmo sob carga. Embora um RTOS rode em VMs, a sobrecarga da virtualization pode impedir que ele atenda demandas em tempo real.

Os sistemas operacionais de tempo real surgiram nas décadas de 1960 e 1970 para atender às necessidades de aplicações sensíveis ao tempo, principalmente nos setores militar, aeroespacial e industrial. Os sistemas operacionais tradicionais não ofereciam respostas rápidas e previsíveis, então os desenvolvedores criaram sistemas operacionais de tempo real que cumprem prazos rígidos e lidam com eventos externos com atraso mínimo. As principais inovações nesse período envolveram algoritmos de escalonamento preemptivo e melhorias na priorização de tarefas e no tratamento de interrupções.

Nos anos 1980 e 1990, produtos comerciais de RTOS (por exemplo, VxWorks e QNX) alcançaram uso amplo, principalmente nos setores de telecomunicações, automotivo e sistemas embarcados. Esforços de padronização, como as extensões POSIX de tempo real, ajudaram a unificar o design de sistemas operacionais de tempo real. Na década de 2000, o crescimento da Internet das Coisas (IoT) e dos sistemas integrados impulsionou a popularidade de sistemas operacionais de tempo real leves, como FreeRTOS.

Atualmente, os sistemas operacionais de tempo real desempenham papel crítico ao garantir operação confiável e em tempo real em uma ampla gama de aplicações, desde dispositivos médicos até sistemas de controle industrial conectados a critical infrastructure. Além disso, muitos sistemas operacionais de tempo real estão incorporando artificial intelligence (AI) e machine learning (ML) para lidar com sistemas mais dinâmicos, adaptativos e complexos. Por exemplo, um RTOS com IA pode analisar padrões de dados, prever falhas e otimizar o escalonamento de tarefas em tempo real com base nas condições do sistema.

O tamanho do mercado de RTOS foi estimado em 5,97 (USD bilhões) em 2024. Pesquisas indicam que o mercado vai crescer de 6,41 bilhões de USD em 2025 para 12,21 bilhões de USD até 2034, exibindo uma taxa de crescimento anual composta (CAGR) de 7,41% durante o período de projeção (2025 - 2034).¹

As principais funcionalidades de um sistema operacional de tempo real (RTOS) incluem o seguinte:

• Determinismo: Um RTOS garante que as tarefas sejam executadas dentro de um intervalo de tempo fixo e previsível, essencial para aplicações sensíveis ao tempo.

• Multitarefa: A multitarefa em um RTOS envolve o escalonamento e o gerenciamento de múltiplas tarefas, define a ordem de execução e alterna rapidamente entre elas, criando a impressão de execução paralela. 

• Gerenciamento de memória: um RTOS impede que tarefas interfiram no espaço de memória uma das outras, melhorando a estabilidade e a segurança do sistema.

• Latência mínima: um RTOS reduz o tempo de resposta a eventos externos ou interrupções, garantindo reações rápidas em ambientes de tempo real e minimizando a latência de interrupção. A troca eficiente de contexto em um RTOS minimiza ainda mais a latência de alternância de tarefas, permitindo que elas sejam rapidamente inseridas e removidas da CPU, o que reduz atrasos entre execuções e aprimora a responsividade do sistema.

• Escalonamento por prioridade: um RTOS executa tarefas de alta prioridade antes das de prioridade inferior, garantindo que tarefas críticas sejam atendidas primeiro.

• Alocação de recursos: um RTOS manipula com eficiência a alocação de memória, a capacidade de processamento e outros recursos do sistema para oferecer suporte ao desempenho em tempo real.

• Tratamento de interrupções: Um RTOS responde rápida e eficientemente a interrupções de hardware ou software usando mecanismos de interface de programação de aplicativos (API) do RTOS. Esse recurso minimiza o tempo gasto no tratamento de interrupções e assegura a conclusão de tarefas em tempo real.

• Sincronização de tarefas: um RTOS fornece comunicação entre tarefas (ITC) com mecanismos como semáforos e filas de mensagens para sincronizar tarefas e garantir o compartilhamento seguro de recursos entre várias tarefas.

Existem três tipos principais de sistemas operacionais de tempo real (RTOS), cada um projetado para lidar com diferentes níveis de precisão de temporização (geralmente em milissegundos) e tolerância a prazos não cumpridos:

• Sistemas operacionais de tempo real rígidos

• Sistemas operacionais de empresas em tempo real

• Sistemas operacionais soft de tempo real

Sistemas operacionais de tempo real rígido são projetados com restrições rígidas de temporização, adequados a cenários em que cumprir prazos é crucial. Qualquer falha em cumprir um prazo pode ter consequências graves, tornando a confiabilidade fundamental. As aplicações comuns de sistemas operacionais de tempo real rígido abrangem os setores aeroespacial, de robótica e de controle industrial. Para atender a esses requisitos rígidos, os sistemas de arquivos em sistemas de tempo real rígido são frequentemente simplificados para reduzir a sobrecarga, garantindo o acesso ou a gravação de dados dentro dos estritos limites de temporalização.

Os sistemas de tempo real rígido normalmente exigem o cumprimento de prazos, mas podem tolerar atrasos ocasionais sem causar problemas significativos. Exemplos desses sistemas incluem reprodução multimídia, conectividade de rede e certas aplicações de automação industrial.

Os sistemas de tempo real suave concentram-se na execução pontual, mas falhar em um prazo não gera consequências críticas. O sistema ainda pode funcionar corretamente, embora com desempenho reduzido. Os exemplos incluem sistemas operacionais de desktop, servidores da web e algumas ferramentas de automação de escritório.

Um sistema operacional de tempo real (RTOS) oferece diversos benefícios-chave, tornando-o ideal para aplicações críticas e com recursos limitados:

• Confiabilidade e previsibilidade

• Sobrecarga mínima

• Tolerância a falhas

• Eficiência aprimorada do sistema

• Maior segurança

• Escalabilidade

• Estabilidade do sistema

Os sistemas operacionais de tempo real são empregados em diversos setores onde temporização precisa, confiabilidade e comportamento previsível são essenciais para aplicações críticas:

• Aeroespacial

• Robótica

• sistemas de controle industrial

• Dispositivos de assistência médica

• Sistemas automotivos

• Telecomunicações

• Defesa e forças armadas

Os sistemas operacionais de tempo real são usados em sistemas aeroespaciais para controle de voo, navegação e aplicações de missão crítica onde a precisão de temporização é fundamental. Usando a computação de alto desempenho (HPC), esses sistemas críticos podem processar dados complexos de vários sensores em tempo real, garantindo respostas rápidas e precisas que são cruciais para a segurança e o desempenho.

Em robótica, sistemas operacionais de tempo real garantem controle em tempo real de movimentos robóticos, processamento de sensores e comunicação. Esses sistemas devem operar com alta precisão e baixa latência, especialmente em automação industrial, robôs médicos e veículos autônomos.

Um RTOS é comumente aplicado em sistemas de controle industrial, como processos de fabricação, automação de plantas e linhas de montagem. Esses sistemas exigem restrições rígidas de temporização para monitorar sensores e outros equipamentos em tempo real.

Um RTOS é empregado em dispositivos médicos como marca-passos, bombas de infusão e equipamentos de diagnóstico, onde operação pontual e previsível é essencial para segurança do paciente e confiabilidade do dispositivo.

Em aplicações automotivas, sistemas operacionais de tempo real dão suporte a funções críticas como sistemas de condução autônoma e sistemas avançados de assistência ao motorista (ADAS), onde segurança e rapidez de resposta são essenciais.

Um RTOS é essencial na infraestrutura de telecomunicações, incluindo estações de base móveis e sistemas de comunicação via satélite, onde processamento em tempo real e desempenho de baixa latência são necessários para manter conexões estáveis e rápidas.

Um RTOS é usado em aplicações de defesa e militar, como sistemas de radar, controle de armamentos e sistemas de vigilância, onde precisão operacional e velocidade são cruciais para o sucesso da missão e a segurança.

Esses populares sistemas operacionais de tempo real (RTOS) são projetados para atender às necessidades específicas de diversos setores. Eles são otimizados para rodar em processadores como Intel e ARM, garantindo alto desempenho, confiabilidade e eficiência em diversas aplicações:

• VxWorks: este RTOS altamente confiável, usado nos setores aeroespacial, de defesa e de automação industrial, é conhecido por sua escalabilidade, segurança e funcionalidades de segurança.

• QNX: este RTOS modular e compatível com POSIX é preferido nos setores automotivo, médico e industrial, oferecendo confiabilidade e tolerância a falhas 

• FreeRTOS: Este RTOS de código aberto, leve e eficiente, atende perfeitamente a sistemas embarcados, microcontroladores, dispositivos IoT e eletrônicos de consumo, com foco na simplicidade e na eficiência.

• RTEMS: este RTOS de código aberto é projetado para sistemas embarcados de alto desempenho, comumente implementado em aplicações aeroespaciais, de telecomunicações e de robótica.

• embOS: este RTOS compacto é conhecido por sua escalabilidade e desempenho determinístico, e frequentemente é usado em sistemas industriais e médicos onde a confiabilidade é fundamental.

• Zephyr: este RTOS de código aberto e escalável da Linux Foundation é otimizado para dispositivos pequenos e com recursos limitados, como gadgets de IoT e dispositivos vestíveis.

• ThreadX: este RTOS de alto desempenho, conhecido por sua pegada de carbono reduzida e pelo gerenciamento eficiente de recursos, é amplamente usado em eletrônicos de consumo, sistemas automotivos e industriais.