Apa itu sistem operasi real-time (RTOS)?

Sistem ini sangat penting dalam aplikasi seperti otomatisasi industri, robotika, perangkat medis, dan sistem tertanam di mana penundaan atau kegagalan dapat memiliki konsekuensi yang parah. Sistem operasi real-time juga biasanya digunakan di lingkungan berisiko tinggi (misalnya, kedirgantaraan dan pertahanan) di mana respons waktu nyata sangat penting untuk keselamatan dan kinerja.

Sistem operasi tujuan umum (GPOS) dan sistem operasi real-time (RTOS) keduanya mengoordinasikan sumber daya perangkat keras sistem (misalnya, CPU, memori, perangkat I/O, penyimpanan), namun keduanya berbeda secara signifikan dalam fokus dan kemampuan.

Sistem operasi—seperti Microsoft Windows, Linux dan Unix—fokus pada memaksimalkan efisiensi sistem secara keseluruhan dan mendukung multitasking, tetapi mereka bergantung pada penjadwalan non-deterministik. Sebagai sistem non-real-time, mereka mungkin tidak selalu menyelesaikan tugas tepat waktu, terutama di bawah beban berat atau di lingkungan mesin virtual (VM) di mana sumber daya dibagikan.

Berbeda dengan OS tujuan umum, OS real-time dirancang untuk aplikasi waktu nyata dan menjamin bahwa tugas memenuhi persyaratan waktu yang ketat, sering kali dalam hitungan mikrodetik. Sumber daya dalam sistem real-time dikelola dengan penjadwalan deterministik untuk memastikan tugas berprioritas tinggi diselesaikan dalam jangka waktu tertentu, bahkan saat beban penuh. Meskipun RTOS dapat mendukung VM, overhead virtualisasi dapat memengaruhi kemampuannya untuk memenuhi tuntutan waktu nyata.

Sistem operasi real-time mulai berkembang pada tahun 1960-an dan 1970-an untuk memenuhi kebutuhan aplikasi yang sensitif terhadap waktu, terutama di sektor militer, kedirgantaraan, dan industri. Sistem operasi tradisional tidak dirancang untuk respons cepat yang dapat diprediksi, sehingga sistem operasi real-time dibuat untuk memastikan tugas memenuhi tenggat waktu ketat yang dapat menangani peristiwa eksternal dengan penundaan minimal. Inovasi utama selama waktu ini termasuk algoritme penjadwalan preemptive dan peningkatan dalam prioritas tugas dan penanganan interupsi.

Pada tahun 1980-an dan 1990-an, produk RTOS komersial (misalnya, VxWorks, QNX) menjadi banyak digunakan, terutama di industri seperti telekomunikasi, otomotif, dan sistem tertanam. Upaya standardisasi seperti ekstensi real-time POSIX membantu menyatukan desain sistem operasi real-time. Pada tahun 2000-an, pertumbuhan Internet of Things (IoT) dan sistem tertanam menyebabkan popularitas sistem operasi real-time ringan, seperti FreeRTOS.

Saat ini, sistem operasi real-time memainkan peran penting dalam memastikan operasi real-time yang andal di berbagai aplikasi, mulai dari perangkat medis hingga sistem kontrol industri yang terkait dengan infrastruktur penting. Selain itu, banyak sistem operasi real-time yang menggabungkan kecerdasan buatan (AI) dan machine learning (ML) untuk menangani sistem yang lebih dinamis, adaptif, dan kompleks. Misalnya, RTOS berkemampuan AI dapat menganalisis pola data, memprediksi kegagalan, dan mengoptimalkan penjadwalan tugas secara real-time berdasarkan kondisi sistem.

Ukuran pasar RTOS diperkirakan mencapai 5,97 (Miliar USD) pada tahun 2024. Selain itu, pasar diperkirakan akan tumbuh dari 6,41 (USD Miliar) pada tahun 2025 menjadi 12,21 (USD Miliar) pada tahun 2034, menunjukkan tingkat pertumbuhan tahunan gabungan (CAGR) sebesar 7,41% selama periode perkiraan (2025 - 2034).¹

Fitur utama sistem operasi real-time (RTOS) meliputi hal berikut:

• Determinisme: RTOS menjamin berbagai tugas dieksekusi dalam kerangka waktu yang dapat diprediksi dan tetap, yang sangat penting untuk aplikasi yang peka terhadap waktu.

• Multitasking: Multitasking dalam RTOS melibatkan penjadwalan dan pengelolaan beberapa tugas, menentukan urutan pelaksanaan tugas, dan beralih di antara tugas-tugas tersebut dengan cepat, sehingga memberikan kesan eksekusi paralel. 

• Manajemen memori: RTOS mencegah tugas-tugas saling mengganggu ruang memori satu sama lain, meningkatkan stabilitas dan keamanan sistem.

• Latensi minimal: RTOS mengurangi waktu respons terhadap kejadian eksternal atau interupsi, memastikan reaksi cepat dalam lingkungan waktu nyata dan meminimalkan latensi gangguan. Peralihan konteks yang efisien dalam RTOS semakin meminimalkan latensi peralihan tugas, yang memungkinkan tugas dengan cepat ditukar masuk dan keluar CPU, yang mengurangi penundaan antara eksekusi dan meningkatkan respons sistem secara keseluruhan.

• Penjadwalan berbasis prioritas: RTOS mengeksekusi tugas-tugas dengan prioritas lebih tinggi sebelum tugas-tugas dengan prioritas lebih rendah, memastikan tugas-tugas penting ditangani terlebih dahulu.

• Alokasi sumber daya: RTOS secara efisien menangani alokasi memori, daya pemrosesan, dan sumber daya sistem lainnya untuk mendukung kinerja real-time.

• Penanganan gangguan: RTOS dengan cepat dan efisien merespons interupsi perangkat keras atau perangkat lunak menggunakan mekanisme antarmuka pemrograman aplikasi (API) RTOS. Kemampuan ini meminimalkan waktu yang dihabiskan untuk menangani interupsi dan memastikan penyelesaian tugas secara real-time.

• Sinkronisasi tugas: RTOS menyediakan komunikasi antar tugas (ITC) dengan mekanisme seperti semafor dan antrean pesan untuk menyinkronkan tugas dan memastikan pembagian sumber daya yang aman di antara beberapa tugas.

Ada tiga jenis utama sistem operasi waktu nyata (RTOS), masing-masing dirancang untuk menangani berbagai tingkat ketepatan waktu (sering kali dalam milidetik) dan toleransi terhadap tenggat waktu yang terlewat:

• Sistem operasi real-time ketat

• Perusahaan sistem operasi real-time

• Sistem operasi real-time lunak

Sistem operasi real-time keras dirancang dengan batasan waktu yang ketat ketika memenuhi tenggat waktu sangat penting. Kegagalan untuk memenuhi tenggat waktu dapat memiliki konsekuensi yang parah, menjadikan keandalan menjadi yang terpenting. Aplikasi umum dari sistem operasi real-time keras termasuk kedirgantaraan, robotika, dan sistem kontrol industri. Untuk memenuhi persyaratan yang ketat ini, sistem file dalam sistem hard real-time sering kali disederhanakan untuk mengurangi overhead, memastikan bahwa data diakses atau ditulis dalam batasan waktu yang ketat.

Sistem operasi real-time perusahaan biasanya membutuhkan tenggat waktu untuk memenuhi tenggat waktu, tetapi sistem operasi ini dapat mentolerir penundaan sesekali tanpa menyebabkan masalah yang signifikan. Contoh sistem tersebut termasuk pemutaran multimedia, jaringan dan aplikasi otomatisasi industri tertentu.

Sistem operasi real-time yang lembut berfokus pada eksekusi tepat waktu, tetapi melewatkan tenggat waktu tidak memiliki konsekuensi penting. Sistem masih dapat berfungsi dengan baik, meskipun dengan kinerja yang berkurang. Contohnya termasuk sistem operasi desktop, server web, dan beberapa alat otomatisasi kantor.

Sistem operasi real-time (RTOS) menawarkan banyak manfaat utama, sehingga ideal untuk aplikasi yang penting dan memiliki sumber daya terbatas:

• Keandalan dan prediktabilitas

• Overhead minimal

• Toleransi kesalahan

• Peningkatan efisiensi sistem

• Peningkatan keamanan

• Skalabilitas

• Stabilitas sistem

Sistem operasi real-time digunakan di berbagai industri di mana waktu yang tepat, keandalan, dan perilaku yang dapat diprediksi sangat penting untuk aplikasi penting:

• Dirgantara

• Robotika

• Sistem kontrol industri

• Perangkat kesehatan

• Sistem otomotif

• Telekomunikasi

• Pertahanan dan militer

Sistem operasi real-time digunakan dalam sistem kedirgantaraan untuk kontrol penerbangan, navigasi, dan aplikasi kritis misi di mana ketepatan waktu sangat penting. Menggunakan komputasi kinerja tinggi (HPC), sistem kritis ini dapat memproses data kompleks dari berbagai sensor secara real time, memastikan respons cepat dan akurat yang sangat penting untuk keselamatan dan kinerja.

Dalam robotika, sistem operasi waktu nyata memastikan kontrol waktu nyata dari gerakan robot, pemrosesan sensor dan komunikasi. Sistem ini perlu beroperasi dengan presisi tinggi dan latensi rendah, terutama dalam otomatisasi industri, robot medis, dan kendaraan otonom.

RTOS biasanya diterapkan dalam sistem kontrol industri, seperti proses manufaktur, otomatisasi pabrik, dan jalur perakitan. Sistem ini memerlukan kendala waktu yang ketat untuk memantau sensor dan peralatan lainnya secara real time.

RTOS digunakan dalam perangkat medis seperti pacemaker, pompa infus dan peralatan diagnostik, di mana operasi yang tepat waktu dan dapat diprediksi diperlukan untuk memastikan keselamatan pasien dan keandalan perangkat.

Dalam aplikasi otomotif, sistem operasi real-time mendukung berbagai fungsi penting—seperti sistem mengemudi otonom dan sistem bantuan driver canggih (ADAS) —di mana keselamatan dan daya tanggap adalah kuncinya.

RTOS sangat penting dalam infrastruktur telekomunikasi, termasuk stasiun pangkalan mobile dan sistem komunikasi satellite, di mana pemrosesan waktu nyata dan kinerja latensi rendah diperlukan untuk menjaga koneksi yang stabil dan cepat.

RTOS digunakan dalam aplikasi pertahanan dan militer untuk sistem radar, kontrol senjata, dan sistem pengawasan, di mana akurasi dan kecepatan operasional sangat penting untuk membangun keberhasilan dan keamanan misi.

Sistem operasi real-time (RTOS) yang populer ini dirancang untuk memenuhi kebutuhan spesifik berbagai industri. Mereka dioptimalkan untuk berjalan pada prosesor seperti Intel dan ARM, memastikan kinerja, keandalan, dan efisiensi yang tinggi di berbagai aplikasi:

• VxWorks: RTOS yang sangat andal ini, digunakan dalam kedirgantaraan, pertahanan, dan otomatisasi industri, dikenal karena skalabilitas, keamanan, dan fitur keselamatannya.

• QNX: RTOS modular yang sesuai dengan POSIX ini disukai di sektor otomotif, medis, dan industri, menawarkan keandalan dan toleransi terhadap kesalahan 

• FreeRTOS: RTOS sumber terbuka yang ringan ini sangat ideal untuk sistem tertanam, mikrokontroler, perangkat IoT, dan elektronik konsumen, yang menekankan kesederhanaan dan efisiensi.

• RTEMS: RTOS sumber terbuka ini dirancang untuk sistem tertanam berkinerja tinggi, biasanya diterapkan dalam aplikasi kedirgantaraan, telekomunikasi, dan robotika.

• EMBO: RTOS ringkas ini dikenal karena skalabilitas dan kinerja deterministiknya, dan sering digunakan dalam sistem industri dan medis di mana keandalan adalah kuncinya.

• Zephyr: RTOS sumber terbuka dan dapat diskalakan dari Linux Foundation ini dioptimalkan untuk perangkat kecil dengan sumber daya terbatas, seperti gadget IoT dan wearable.

• ThreadX: RTOS kinerja tinggi ini, yang dikenal dengan jejak minimal dan manajemen sumber daya yang efisien, sering digunakan dalam sistem elektronik konsumen, otomotif, dan industri.