Was ist ein Echtzeitbetriebssystem (RTOS)?

Diese Systeme sind unverzichtbar in Anwendungen wie Industrieautomatisierung, Robotik, medizinischen Geräten und eingebetteten Systemen, bei denen Verzögerungen oder Ausfälle schwerwiegende Folgen haben können. Echtzeit-Betriebssysteme werden auch häufig in Umgebungen mit hohem Einsatz (z. B. Luft- und Raumfahrt und Verteidigung) eingesetzt, in denen Echtzeitreaktionen für Sicherheit und Leistung unerlässlich sind.

Ein General Purpose Operating System (GPOS) und ein Echtzeitbetriebssystem (Real-Time Operating System, RTOS) koordinieren beide die Ressourcen des Systems (z. B. CPU, Arbeitsspeicher, E/A-Geräte, Speicher), unterscheiden sich jedoch erheblich in ihrem Schwerpunkt und ihren Funktionen.

Betriebssysteme, wie Microsoft Windows, Linux und UNIX, konzentrieren sich auf die Maximierung der Gesamtsystemeffizienz und die Unterstützung von Multitasking, aber sie basieren auf einer nichtdeterministischen Planung. Da es sich nicht um Echtzeitsysteme handelt, erledigen sie Aufgaben möglicherweise nicht immer pünktlich, insbesondere bei hoher Auslastung oder in Umgebungen mit virtuellen Maschinen (VM), in denen Ressourcen gemeinsam genutzt werden.

Im Gegensatz zu einem allgemeinen Betriebssystem ist ein Echtzeit-Betriebssystem für Echtzeitanwendungen konzipiert und garantiert, dass Tasks strenge Zeitvorgaben erfüllen, oft innerhalb von Mikrosekunden. Die Ressourcen in einem Echtzeitsystem werden mit einer deterministischen Planung verwaltet, um sicherzustellen, dass Aufgaben mit hoher Priorität auch unter Last innerhalb bestimmter Zeitrahmen erledigt werden. Ein RTOS kann zwar VMs unterstützen, aber der Aufwand für die Virtualisierung kann sich auf seine Fähigkeit auswirken, Echtzeitanforderungen zu erfüllen.

In den 1960er und 1970er Jahren begannen die Entwicklung von Echtzeitbetriebssystemen, um den Anforderungen zeitkritischer Anwendungen gerecht zu werden, vor allem im Militär-, Luft- und Raumfahrt- und Industriesektor. Herkömmliche Betriebssysteme waren nicht für vorhersehbare, schnelle Reaktionen konzipiert. Daher wurden Echtzeitbetriebssysteme entwickelt, die sicherstellen, dass die Aufgaben strenge Fristen einhalten und externe Ereignisse mit minimaler Verzögerung bewältigen können. Zu den wichtigsten Innovationen in dieser Zeit gehörten präventive Planungsalgorithmen und Verbesserungen bei der Priorisierung von Aufgaben und der Behandlung von Unterbrechungen.

In den 1980er und 1990er Jahren fanden kommerzielle RTOS-Produkte (z. B. VxWorks, QNX) weit verbreitet, insbesondere in Branchen wie Telekommunikation, Automobil und eingebetteten Systemen. Standardisierungsbemühungen wie die POSIX-Echtzeiterweiterungen trugen dazu bei, das Design von Echtzeitbetriebssystemen zu vereinheitlichen. In den 2000er Jahren führte das Wachstum des Internet der Dinge (IoT) und eingebetteter Systeme zur Popularität leichter Echtzeitbetriebssysteme wie FreeRTOS.

Heute spielen Echtzeitbetriebssysteme eine kritische Rolle bei der Sicherstellung eines zuverlässigen Echtzeitbetriebs in einer Vielzahl von Apps, von medizinischen Geräten bis hin zu industriellen Steuerungssystemen, die an kritische Infrastrukturen gebunden sind. Darüber hinaus integrieren viele Echtzeit-Betriebssysteme künstliche Intelligenz (KI) und maschinelles Lernen (ML) , um dynamischere, anpassungsfähigere und komplexere Systeme zu bewältigen. Ein KI-fähiges RTOS kann beispielsweise Datenmuster analysieren, Ausfälle vorhersagen und die Aufgabenplanung in Echtzeit basierend auf Systembedingungen optimieren.

Die Größe des RTOS-Marktes wurde im Jahr 2024 auf 5,97 Milliarden US-Dollar geschätzt. Darüber hinaus wird erwartet, dass der Markt von 6,41 Mrd. USD im Jahr 2025 auf 12,21 Mrd. USD im Jahr 2034 wachsen wird, mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 7,41 % im Forecasting-Zeitraum (2025 - 2034)¹

Zu den Hauptmerkmalen eines Echtzeit-Betriebssystems (RTOS) gehören die folgenden:

• Determinismus: Ein RTOS garantiert, dass Aufgaben innerhalb eines vorhersehbaren, festen Zeitrahmens ausgeführt werden, was für zeitkritische Anwendungen unerlässlich ist.

• Multitasking: Multitasking in einem RTOS beinhaltet die Planung und Verwaltung mehrerer Aufgaben, die Festlegung der Reihenfolge, in der die Aufgaben ausgeführt werden, und das schnelle Umschalten zwischen ihnen, wodurch der Eindruck einer parallelen Ausführung entsteht. 

• Speicherverwaltung: Ein RTOS verhindert, dass Aufgaben den Speicherplatz der anderen stören, und verbessert so die Stabilität und Sicherheit des Systems.

• Minimale Latenz:  Ein RTOS reduziert die Reaktionszeit auf externe Ereignisse oder Interrupts, gewährleistet schnelle Reaktionen in Echtzeitumgebungen und minimiert die Interrupt-Latenz. Effizienter Kontextwechsel in einem RTOS minimiert die Latenz beim Taskwechsel weiter, sodass Aufgaben schnell in die CPU hinein- und aus der CPU ausgetauscht werden können, was Verzögerungen zwischen den Ausführungen reduziert und die allgemeine Reaktionsfähigkeit des Systems verbessert.

• Prioritätsbasierte Planung: RTOS führt Aufgaben mit höherer Priorität vor Aufgaben mit niedrigerer Priorität aus und stellt so sicher, dass kritische Aufgaben zuerst erledigt werden.

• Ressourcenzuordnung:  RTOS verwaltet effizient die Speicherzuweisung, Verarbeitungsleistung und andere Systemressourcen, um die Echtzeitleistung zu unterstützen.

• Umgang mit Unterbrechungen: Ein RTOS reagiert schnell und effizient auf Hardware- oder Software-Unterbrechungen mithilfe von RTOS Programmierschnittstellen (API)-Mechanismen. Diese Funktion minimiert den Zeitaufwand für die Bearbeitung von Unterbrechungen und gewährleistet die Ausführung von Aufgaben in Echtzeit.

• Aufgabensynchronisierung: Ein RTOS bietet die Kommunikation zwischen Aufgaben (ITC) mit Mechanismen wie Semaphoren und Nachrichtenwarteschlangen, um Aufgaben zu synchronisieren und die sichere gemeinsame Nutzung von Ressourcen zwischen mehreren Aufgaben zu gewährleisten.

Es gibt drei Haupttypen von Echtzeitbetriebssystemen (RTOS), die jeweils für unterschiedliche Zeitpräzision (oft in Millisekunden) und Toleranz bei Terminüberschreitungen ausgelegt sind:

• Strenge Echtzeitbetriebssysteme

• Feste Echtzeitbetriebssysteme

• Lockere Echtzeitbetriebssysteme

Strenge Echtzeitbetriebssysteme wurden mit strengen Zeitbeschränkungen entwickelt, wenn die Einhaltung von Fristen entscheidend ist. Die Nichteinhaltung einer Frist kann schwerwiegende Folgen haben, wobei Zuverlässigkeit von größter Bedeutung ist. Zu den üblichen Anwendungen von strengen Echtzeit-Betriebssystemen gehören Luft- und Raumfahrt, Robotik und industrielle Steuerungssysteme. Um diese strengen Anforderungen zu erfüllen, werden Dateisysteme in harten Echtzeitsystemen häufig rationalisiert, um den Overhead zu reduzieren und sicherzustellen, dass der Zugriff auf Daten oder das Schreiben von Daten innerhalb der strengen Zeitbeschränkungen erfolgt.

Feste Echtzeitbetriebssysteme erfordern in der Regel die Einhaltung von Fristen, können jedoch gelegentliche Verzögerungen tolerieren, ohne nennenswerte Probleme zu verursachen. Beispiele für solche Systeme sind Multimediawiedergabe, Netzwerke und bestimmte industrielle Automatisierung.

Lockere Echtzeitbetriebssysteme konzentrieren sich auf die rechtzeitige Ausführung, aber das Versäumen einer Frist hat keine entscheidenden Folgen. Das System kann weiterhin ordnungsgemäß funktionieren, wenn auch mit reduzierter Leistung. Beispiele hierfür sind Desktop-Betriebssysteme, Webserver und einige Tools zur Büroautomatisierung.

Ein Echtzeitbetriebssystem (Real-Time Operating System, RTOS) bietet zahlreiche wichtige Vorteile und ist damit ideal für kritische, ressourcenbeschränkte Anwendungen:

• Zuverlässigkeit und Vorhersehbarkeit

• Minimaler Aufwand

• Fehlertoleranz

• Verbesserte Systemeffizienz

• Verbesserte Sicherheit

• Skalierbarkeit

• Systemstabilität

Echtzeitbetriebssysteme werden in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt, in denen präzises Timing, Zuverlässigkeit und vorhersehbares Verhalten für entscheidende Anwendungen unerlässlich sind:

• Luft- und Raumfahrt

• Robotertechnik

• Industrielle Steuerungssysteme

• Geräte für das Gesundheitswesen

• Automobilsysteme

• Telekommunikation

• Verteidigung und Militär

Echtzeitbetriebssysteme werden in Luft- und Raumfahrtsystemen für Flugsteuerungs-, Navigations- und geschäftskritische Anwendungen eingesetzt, bei denen Timing-Präzision unerlässlich ist. Mithilfe von Hochleistungsrechnern (HPC) können diese entscheidenden Systeme komplexe Daten von verschiedenen Sensoren in Echtzeit verarbeiten und so schnelle, genaue Reaktionen gewährleisten, die für Sicherheit und Leistung entscheidend sind.

In der Robotertechnik sorgen Echtzeitbetriebssysteme für die Echtzeitsteuerung von Roboterbewegungen, Sensorverarbeitung und Kommunikation. Diese Systeme müssen mit hoher Präzision und geringer Latenz arbeiten, insbesondere in der industriellen Automatisierung, bei medizinischen Robotern und in autonomen Fahrzeugen.

Ein RTOS wird häufig in industriellen Steuerungssystemen wie Fertigungsprozessen, Anlagenautomatisierung und Montagelinien eingesetzt. Diese Systeme erfordern strenge zeitliche Vorgaben, um Sensoren und anderes Equipment in Echtzeit zu überwachen.

Ein RTOS wird in medizinischen Geräten wie Pacemakern, Infusionspumpen und Diagnoseequipment eingesetzt, wo ein rechtzeitiger und vorhersehbarer Betrieb erforderlich ist, um die Patientensicherheit und die Gerätezuverlässigkeit zu gewährleisten.

In Automobilanwendungen unterstützen Echtzeitbetriebssysteme entscheidende Funktionen wie autonome Fahrsysteme und fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS) bei denen Sicherheit und Reaktionsfähigkeit entscheidend sind.

Ein RTOS ist in der Telekommunikationsinfrastruktur, einschließlich mobiler Basisstationen und Satellitenkommunikationssysteme, unerlässlich, wo Echtzeitverarbeitung und Leistung mit geringer Latenz für die Aufrechterhaltung stabiler und schneller Verbindungen erforderlich sind.

Ein RTOS wird in Verteidigungs- und militärischen Anwendungen für Radarsysteme, Waffenkontroll- und Überwachungssysteme verwendet, wo operative Genauigkeit und Geschwindigkeit für den Erfolg und die Sicherheit von Missionen entscheidend sind.

Diese beliebten Echtzeitbetriebssysteme (Real-Time Operating Systems, RTOS) wurden entwickelt, um die spezifischen Anforderungen verschiedener Branchen zu erfüllen. Sie sind für die Ausführung auf Prozessoren wie Intel und ARM optimiert und gewährleisten hohe Leistung, Zuverlässigkeit und Effizienz in verschiedenen Anwendungen:

• VxWorks: Dieses äußerst zuverlässige RTOS, das in der Luft- und Raumfahrt, der Verteidigung und der industriellen Automatisierung eingesetzt wird, ist für seine Skalierbarkeit, Sicherheit und Sicherheitsfunktionen bekannt.

• QNX: Dieses modulare, POSIX-konforme RTOS wird im Automobil-, Medizin- und Industriesektor bevorzugt und bietet Zuverlässigkeit und Fehlertoleranz 

• FreeRTOS: Dieses schlanke Open-Source-RTOS ist ideal für eingebettete Systeme, Mikrocontroller, IoT-Geräte und Unterhaltungselektronik, da es auf Einfachheit und Effizienz ausgelegt ist.

• RTEMS: Dieses Open-Source-RTOS wurde für Systeme mit hoher Leistung entwickelt, die häufig in Anwendungen in den Bereichen Luft- und Raumfahrt, Telekommunikation und Robotik eingesetzt werden.

• EmbOS: Dieses kompakte RTOS ist für seine Skalierbarkeit und deterministische Leistung bekannt und wird häufig in industriellen und medizinischen Systemen eingesetzt, in denen Zuverlässigkeit entscheidend ist.

• Zepyr: Dieses skalierbare Open-Source-RTOS von Linux Foundation ist für kleine, ressourcenbeschränkte Geräte wie IoT-Gadgets und Wearables optimiert.

• ThreadX: Dieses leistungsstarke RTOS, das für seinen minimalen Platzbedarf und sein effizientes Ressourcenmanagement bekannt ist, wird häufig in Unterhaltungselektronik-, Automobil- und Industriesystemen eingesetzt.