Qu’est-ce qu’un système d’exploitation en temps réel (RTOS) ?

Ces systèmes sont essentiels dans des applications telles que l’automatisation industrielle, la robotique, les dispositifs médicaux et les systèmes intégrés, où les retards et les défaillances peuvent avoir des conséquences graves. En outre, les systèmes d’exploitation en temps réel sont couramment utilisés dans les environnements sensibles (par exemple, l’aérospatiale et la défense), où les réponses en temps réel sont essentielles pour la sécurité et les performances.

Un système d’exploitation à usage général (GPOS) et un système d’exploitation en temps réel (RTOS) coordonnent les ressources matérielles du système (par exemple, le processeur, la mémoire, les périphériques d’E/S, le stockage), mais ils diffèrent considérablement dans leurs objectifs et leurs capacités.

Les systèmes d’exploitation tels que Microsoft Windows, Linux et Unix s’efforcent d’optimiser l’efficacité globale du système et de prendre en charge le multitâche, mais ils s’appuient sur l’ordonnancement non déterministe. En tant que systèmes fonctionnant en temps réel, ils ne peuvent pas toujours effectuer des tâches à temps, en particulier sous forte charge ou dans des environnements de machines virtuelles (VM) où les ressources sont partagées.

Contrairement à un système d’exploitation général, un système d’exploitation en temps réel est conçu pour les applications en temps réel et garantit que les tâches respectent des délais stricts, souvent de quelques microsecondes. Les ressources d’un système en temps réel sont gérées selon un ordonnancement déterministe, ce qui permet d’accomplir les tâches prioritaires dans des délais précis, même sous charge. Bien qu’un RTOS puisse prendre en charge des machines virtuelles, le surcoût lié à la virtualisation peut avoir un impact sur sa capacité à répondre aux demandes en temps réel.

Les systèmes d’exploitation en temps réel ont commencé à se développer dans les années 1960 et 1970 pour répondre aux besoins des applications sensibles au temps, principalement dans les secteurs militaire, aérospatial et industriel. Les systèmes d’exploitation traditionnels n’ont pas été conçus pour offrir des réponses rapides et prévisibles. Les systèmes d’exploitation en temps réel ont donc été créés pour garantir que les tâches respectent des délais stricts et qu’ils peuvent traiter les événements externes avec un minimum de retard. Les principales innovations de cette époque comprenaient des algorithmes d’ordonnancement préemptif et des améliorations dans la hiérarchisation des tâches et la gestion des interruptions.

Dans les années 1980 et 1990, les produits RTOS commerciaux (par exemple, VxWorks, QNX) ont été largement utilisés, en particulier dans des secteurs tels que les télécommunications, l’automobile et les systèmes embarqués. Les efforts de normalisation tels que les extensions POSIX en temps réel ont contribué à unifier la conception des systèmes d’exploitation en temps réel. Dans les années 2000, l’essor de l’internet des objets (IdO) et des systèmes embarqués a donné une certaine popularité aux systèmes d’exploitation légers en temps réel, tels que FreeRTOS.

Aujourd’hui, les systèmes d’exploitation en temps réel jouent un rôle critique pour garantir un fonctionnement fiable et en temps réel dans une large gamme d’applications, des appareils médicaux aux systèmes de contrôle industriels liés aux infrastructures critiques. De plus, de nombreux systèmes d’exploitation en temps réel intègrent l’intelligence artificielle (IA) et le machine learning (ML) pour gérer des systèmes plus dynamiques, adaptatifs et complexes. Par exemple, un RTOS assisté par l’IA peut analyser des modèles de données, prédire les pannes et optimiser la planification des tâches en temps réel en fonction des conditions du système.

La taille du marché des RTOS a été estimée à 5,97 milliards de dollars américains en 2024. Le marché devrait passer de 6,41 milliards d’USD en 2025 à 12,21 milliards USD d’ici 2034, soit un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 7,41 % pendant la période de prévision (2025-2034). ¹

Les fonctionnalités principales d’un système d’exploitation en temps réel (RTOS) sont les suivantes :

• Déterminisme : un RTOS garantit que les tâches sont exécutées dans un délai prévisible et fixe, ce qui est essentiel pour les applications sensibles au facteur temps.

• Multitâche : dans un RTOS, le multitâche implique d’ordonnancer et de gérer plusieurs tâches, de déterminer l’ordre dans lequel les tâches sont exécutées et de passer rapidement de l’une à l’autre, donnant ainsi l’impression d’une exécution parallèle. 

• Gestion de la mémoire : un RTOS empêche les tâches d’interférer avec l’espace mémoire des autres, ce qui améliore la stabilité et la sécurité du système.

• Latence minimale : un RTOS réduit le temps de réponse aux événements externes ou aux interruptions, ce qui garantit des réactions rapides dans les environnements en temps réel et minimise la latence des interruptions. Un changement de contexte efficace dans un RTOS minimise encore la latence de commutation des tâches. Il permet de charger et de décharger rapidement le contexte des tâches dans le CPU, de réduire les délais entre les exécutions et d’améliorer la réactivité globale du système.

• Ordonnancement basé sur les priorités: un RTOS exécute les tâches prioritaires avant celles qui sont moins prioritaires et veille à ce que les tâches critiques soient traitées en premier.

• Attribution des ressources : un RTOS gère efficacement l’attribution de mémoire, la puissance de traitement et d’autres ressources système pour prendre en charge les performances en temps réel.

• Gestion des interruptions : un RTOS répond rapidement et efficacement aux interruptions matérielles et logicielles à l’aide des mécanismes de l’interface de programmation des applications (API) du RTOS. Cette capacité minimise le temps passé à traiter les interruptions et garantit l’achèvement des tâches en temps réel.

• Synchronisation des tâches : un RTOS fournit une communication inter-tâches (ITC) avec des mécanismes tels que les sémaphores et les files d’attente de messages pour synchroniser les tâches et assurer un partage sécurisé des ressources entre plusieurs tâches.

Il existe trois principaux types de systèmes d’exploitation en temps réel (RTOS), chacun étant conçu pour gérer différents niveaux de précision temporelle (souvent en millisecondes) et de tolérance en cas de non-respect des délais :

• Systèmes d’exploitation en temps réel stricts

• Systèmes d’exploitation en temps réel fermes

• Systèmes d’exploitation en temps réel souples

Les systèmes d’exploitation en temps réel stricts sont conçus avec des contraintes de temps strictes pour les cas où le respect des délais est crucial. Tout non-respect d’un délai peut avoir de graves conséquences, d’où l’importance de la fiabilité. Parmi les applications courantes des systèmes d’exploitation en temps réel stricts, citons l’aérospatiale, la robotique et les systèmes de contrôle industriel. Pour répondre à ces exigences strictes, les systèmes de fichiers des systèmes en temps réel sont souvent rationalisés afin de réduire les frais généraux, ce qui garantit que les données sont accessibles ou écrites dans des délais stricts.

Les systèmes d’exploitation en temps réel fermes des entreprises doivent généralement respecter les délais, mais ils peuvent tolérer des retards occasionnels sans causer de problèmes importants. Comme exemples de ces systèmes, citons la lecture multimédia, la mise en réseau et certaines applications d’automatisation industrielle.

Les systèmes d’exploitation en temps réel souples se concentrent sur l’exécution dans les délais, mais le non-respect d’une échéance n’a pas de conséquences critiques. Le système peut toujours fonctionner correctement, bien qu’avec des performances réduites. Citons comme exemples d’application les systèmes d’exploitation de bureau, les serveurs web et certains outils d’automatisation.

Un système d’exploitation en temps réel (RTOS) offre de nombreux avantages, ce qui le rend idéal pour les applications critiques dont les ressources sont limitées :

• Fiabilité et prévisibilité

• Frais généraux minimes

• Tolérance aux pannes

• Amélioration de l’efficacité du système

• Sécurité renforcée

• Évolutivité

• Stabilité du système

Les systèmes d’exploitation en temps réel sont utilisés dans de nombreux secteurs où le timing précis, la fiabilité et la prévisibilité du comportement sont essentiels pour les applications critiques :

• Aérospatial

• Robotique

• Systèmes de contrôle industriel

• Dispositifs de santé

• Systèmes automobiles

• Télécommunications

• Armée et défense

Les systèmes d’exploitation en temps réel sont utilisés dans les systèmes aérospatiaux pour le contrôle des vols, la navigation et les applications critiques où la précision temporelle est essentielle. Grâce au calcul à haute performance (HPC), ces systèmes critiques peuvent traiter des données complexes provenant de divers capteurs en temps réel, ce qui garantit des réponses rapides et précises, essentielles à la sécurité et aux performances.

Dans la robotique, les systèmes d’exploitation en temps réel assurent le contrôle en temps réel des mouvements robotiques, le traitement des capteurs et la communication. Ces systèmes doivent fonctionner avec une grande précision et une faible latence, en particulier dans l’automatisation industrielle, les robots médicaux et les véhicules autonomes.

Un RTOS est couramment appliqué dans les systèmes de contrôle industriel, comme les processus de fabrication, l’automatisation des usines et les chaînes d’assemblage. Ces systèmes nécessitent des contraintes de temps étroites pour surveiller les capteurs et d’autres équipements en temps réel.

Un RTOS est utilisé dans des dispositifs médicaux comme les pacemakers, les pompes à perfusion et les équipements de diagnostic, où un fonctionnement rapide et prévisible est nécessaire pour assurer la sécurité des patients et la fiabilité des dispositifs.

Dans les applications automobiles, les systèmes d’exploitation en temps réel prennent en charge les fonctions critiques, comme les systèmes de conduite autonome et les systèmes avancés d’aide à la conduite (ADAS), dans lesquels la sécurité et la réactivité sont essentielles.

Un RTOS est essentiel dans les infrastructures de télécommunications (notamment les stations de base mobiles et les systèmes de communication par satellite), où le traitement en temps réel et les performances à faible latence sont nécessaires pour maintenir des connexions stables et rapides.

Un RTOS est utilisé dans des applications de défense et militaires pour les systèmes de radar, de contrôle des armes et de surveillance, où la précision opérationnelle et la vitesse sont cruciales pour assurer le succès et la sécurité des missions.

Ces systèmes d’exploitation en temps réel (RTOS) populaires sont conçus pour répondre aux besoins spécifiques de divers secteurs. Ils sont optimisés pour fonctionner sur des processeurs tels qu’Intel et ARM, ce qui garantit des performances, une fiabilité et une efficacité élevées pour diverses applications :

• VxWorks : ce RTOS très fiable, utilisé dans l’aérospatiale, la défense et l’automatisation industrielle, est connu pour son évolutivité et sa sécurité.

• QNX : ce RTOS modulaire conforme à la norme POSIX est apprécié dans les secteurs de l’automobile, de la médecine et de l’industrie, car il offre fiabilité et tolérance aux pannes 

• FreeRTOS : ce RTOS open source et léger est idéal pour les systèmes embarqués, les microcontrôleurs, les appareils IoT et l’électronique grand public, car il met l’accent sur la simplicité et l’efficacité.

• RTEMS : ce RTOS open source est conçu pour les systèmes embarqués à hautes performances, couramment déployés dans les applications aérospatiales, de télécommunications et robotiques.

• embOS : ce RTOS compact est connu pour son évolutivité et ses performances déterministes, et il est souvent utilisé dans les systèmes industriels et médicaux où la fiabilité est essentielle.

• Zephyr : ce RTOS évolutif et open source de la Linux Foundation est optimisé pour les petits appareils aux ressources limitées, comme les gadgets IdO et les appareils portables.

• ThreadX : ce RTOS à haute performance, connu pour son encombrement minimal et sa gestion efficace des ressources, est fréquemment utilisé dans l’électronique grand public, les systèmes automobiles et industriels.