Cos'è un sistema operativo real-time (RTOS)?

Questi sistemi sono fondamentali in applicazioni come l'automazione industriale, la robotica, i dispositivi medici e i sistemi integrati in cui ritardi o guasti possono avere gravi conseguenze. I sistemi operativi real-time sono comunemente usati anche in ambienti ad alto rischio (ad esempio aerospaziale e difesa), in cui le risposte in tempo reale sono essenziali per la sicurezza e le prestazioni.

Un sistema operativo generico (GPOS) e un sistema operativo in tempo reale (RTOS) coordinano entrambi le risorse hardware del sistema (ad esempio, CPU, memoria, dispositivi I/O, archiviazione), ma differiscono significativamente nel loro obiettivo e nelle loro funzionalità.

I sistemi operativi, come Microsoft Windows, Linux e Unix, si concentrano sul raggiungimento del massimo dell'efficienza complessiva del sistema e sul supporto del multitasking, ma si basano su una pianificazione non deterministica. Trattandosi di sistemi non in tempo reale, potrebbero non completare sempre le attività in tempo, in particolare in caso di carichi elevati o in ambienti di macchine virtuali (VM) in cui le risorse sono condivise.

A differenza di un sistema operativo generico, un sistema operativo real-time è progettato per le applicazioni in tempo reale e garantisce che le attività soddisfino requisiti temporali rigorosi, spesso di microsecondi. Le risorse in un sistema in tempo reale sono gestite attraverso una pianificazione deterministica per garantire che le attività ad alta priorità siano completate entro intervalli di tempo specifici, anche sotto carico. Sebbene un RTOS possa supportare le macchine virtuali, il sovraccarico della virtualizzazione può influire sulla sua capacità di soddisfare le richieste in tempo reale.

I sistemi operativi real-time hanno iniziato a svilupparsi negli anni '60 e '70 per soddisfare le esigenze delle applicazioni sensibili al tempo, principalmente nei settori militare, aerospaziale e industriale. Poiché i sistemi operativi tradizionali non sono stati progettati per risposte rapide e prevedibili, i sistemi operativi real-time sono stati creati per garantire che le attività rispettassero scadenze rigorose, in grado di gestire eventi esterni con un ritardo minimo. Le principali innovazioni di questo periodo includevano algoritmi di pianificazione preventiva e miglioramenti nella definizione delle priorità delle attività e nella gestione delle interruzioni.

Negli anni '80 e '90, sono diventati ampiamente utilizzati i prodotti RTOS commerciali (ad esempio, VxWorks, QNX), in particolare in settori come le telecomunicazioni, l'automotive e i sistemi embedded. Iniziative di standardizzazione come le estensioni in tempo reale POSIX hanno contribuito a unificare la progettazione di sistemi operativi real-time. Negli anni 2000, la crescita dell'Internet of Things (IoT) e dei sistemi integrati ha reso popolari sistemi operativi leggeri in tempo reale come FreeRTOS.

I sistemi operativi real-time svolgono attualmente un ruolo critico nel garantire il funzionamento affidabile e in tempo reale in un'ampia gamma di applicazioni, dai dispositivi medici ai sistemi di controllo industriale collegati a infrastrutture critiche. Inoltre, molti sistemi operativi real-time incorporano l'intelligenza artificiale (AI) e il machine learning (ML) per gestire sistemi più dinamici, adattivi e complessi. Ad esempio, un RTOS abilitato all'AI può analizzare i modelli di dati, prevedere i guasti e ottimizzare la pianificazione delle attività in tempo reale in base alle condizioni del sistema.

Si stima che nel 2024 il mercato RTOS valesse 5,97 miliardi di dollari. Inoltre, il mercato dovrebbe crescere da 6,41 (miliardi di dollari) nel 2025 a 12,21 (miliardi di dollari) entro il 2034, con un tasso di crescita annuo composto (CAGR) del 7,41% durante il periodo di previsione (2025-2034).¹

Le caratteristiche principali di un sistema operativo real-time (RTOS) includono:

• Determinismo: un RTOS garantisce che le attività siano eseguite entro un lasso di tempo fisso e prevedibile, essenziale per le applicazioni sensibili al fattore tempo.

• Multitasking: il multitasking in un RTOS implica la pianificazione e la gestione di più attività, la determinazione dell'ordine in cui le attività vengono eseguite e il passaggio rapido da una all'altra, dando l'impressione di un'esecuzione parallela. 

• Gestione della memoria: un RTOS impedisce alle attività di interferire con lo spazio di memoria reciproco, migliorando la stabilità e la sicurezza del sistema.

• Latenza minima: un RTOS riduce il tempo di risposta agli eventi esterni o agli interrupt, garantendo reazioni rapide in ambienti in tempo reale e riducendo al minimo la latenza degli interrupt. Un'efficiente commutazione di contesto in un RTOS minimizza ulteriormente la latenza di commutazione delle attività, consentendo di scambiarle rapidamente all'interno e all'esterno della CPU, riducendo i ritardi tra le esecuzioni e migliorando la reattività complessiva del sistema.

• Pianificazione basata sulle priorità: un RTOS esegue le attività con priorità più alta prima di quelle con priorità inferiore, assicurandosi che le attività critiche vengano gestite per prime.

• Allocazione delle risorse: un RTOS gestisce in modo efficiente l'allocazione della memoria, la potenza di elaborazione e altre risorse del sistema per supportare le prestazioni in tempo reale.

• Gestione degli interrupt: un RTOS risponde in modo rapido ed efficiente agli interrupt a livello di hardware o software utilizzando i meccanismi di application programming interface (API) degli RTOS. Questa funzionalità riduce al minimo il tempo impiegato per gestire le interruzioni e garantisce il completamento delle attività in tempo reale.

• Sincronizzazione delle attività: un RTOS fornisce la comunicazione tra attività (ITC) con meccanismi come semafori e code di messaggi per sincronizzare le attività e garantire la condivisione sicura delle risorse tra più attività.

Esistono tre tipi principali di sistemi operativi real-time (RTOS), ciascuno progettato per gestire diversi livelli di precisione temporale (spesso in millisecondi) e tolleranza per le scadenze non rispettate:

• Sistemi operativi hard real-time

• Sistemi operativi firm real-time

• Sistemi operativi soft real-time

I sistemi operativi hard real-time sono progettati con rigidi vincoli temporali e sono utilizzati quando il rispetto delle scadenze è fondamentale. Il mancato rispetto di una scadenza può avere gravi conseguenze e l'affidabilità è fondamentale. Le applicazioni comuni dei sistemi operativi hard real-time includono sistemi aerospaziali, robotici e di controllo industriale. Per soddisfare questi requisiti rigorosi, i file system nei sistemi hard real-time sono spesso semplificati per ridurre il sovraccarico, garantendo che i dati siano accessibili o scritti entro i rigorosi vincoli di tempo.

I sistemi operativi real-time aziendali in genere richiedono il rispetto delle scadenze, ma possono tollerare ritardi occasionali senza causare problemi significativi. Esempi di tali sistemi includono la riproduzione multimediale, il networking e alcune applicazioni di automazione industriale.

I sistemi operativi soft real-time si concentrano sull'esecuzione tempestiva, tuttavia il mancato rispetto di una scadenza non ha conseguenze critiche. Il sistema può ancora funzionare correttamente, anche se con prestazioni ridotte. Gli esempi includono sistemi operativi desktop, server web e alcuni strumenti di automazione per l'ufficio.

Un sistema operativo real-time (RTOS) offre numerosi benefici chiave che lo rendono ideale per applicazioni critiche e con risorse limitate:

• Affidabilità e prevedibilità

• Costi generali minimi

• Tolleranza ai guasti

• Maggiore efficienza del sistema

• Maggiore sicurezza

• Scalabilità

• Stabilità del sistema

I sistemi operativi real-time sono utilizzati in una varietà di settori in cui tempi precisi, affidabilità e comportamento prevedibile sono essenziali per le applicazioni critiche:

• Settore aerospaziale

• Robotica

• Sistemi di controllo industriale

• Dispositivi medici

• Sistemi automobilistici

• Telecomunicazioni

• Difesa ed esercito

I sistemi operativi real-time sono utilizzati nei sistemi aerospaziali per il controllo dei voli, la navigazione e le applicazioni mission-critical in cui la precisione a livello di tempistiche è essenziale. Utilizzando l'elaborazione ad alte prestazioni (HPC), questi sistemi critici possono elaborare dati complessi provenienti da vari sensori in tempo reale, garantendo risposte rapide e accurate, fondamentali per la sicurezza e le prestazioni.

Nella robotica, i sistemi operativi real-time garantiscono il controllo in tempo reale dei movimenti robotici, dell'elaborazione dei sensori e della comunicazione. Questi sistemi devono funzionare con alta precisione e bassa latenza, soprattutto nell'automazione industriale, nei robot medicali e nei veicoli autonomi.

Un RTOS è comunemente applicato nei sistemi di controllo industriale, come i processi di produzione, l'automazione degli impianti e le linee di assemblaggio. Questi sistemi richiedono rigorosi vincoli di temporizzazione per monitorare sensori e altre attrezzature in tempo reale.

Un RTOS viene utilizzato in dispositivi medici come pacemaker, pompe per infusione e apparecchiature diagnostiche, dove l'operatività deve essere tempestiva e prevedibile per garantire la sicurezza del paziente e l'affidabilità dei dispositivi.

Nelle applicazioni automobilistiche, i sistemi operativi real-time supportano funzioni critiche, come i sistemi di guida autonomi e i sistemi avanzati di assistenza al driver (ADAS), in cui sicurezza e reattività sono fondamentali.

Un RTOS è essenziale nelle infrastrutture di telecomunicazione, comprese le mobile base station e i sistemi di comunicazione satellitari, dove l'elaborazione in tempo reale e le prestazioni a bassa latenza sono necessarie per mantenere connessioni stabili e veloci.

Un RTOS viene utilizzato in applicazioni militari e di difesa per sistemi radar, sistemi di controllo delle armi e sistemi di sorveglianza, dove la precisione e la velocità operativa sono fondamentali per stabilire il successo e la sicurezza della missione.

Questi popolari sistemi operativi real-time (RTOS) sono progettati per soddisfare le esigenze specifiche di vari settori. Sono ottimizzati per funzionare su processori come Intel e ARM, garantendo alte prestazioni, affidabilità ed efficienza in diverse applicazioni:

• VxWorks: questo RTOS altamente affidabile, utilizzato nell'automazione aerospaziale, della difesa e industriale, è noto per le sue caratteristiche di scalabilità, sicurezza e protezione.

• QNX: questo RTOS modulare e conforme a POSIX è preferito nei settori automobilistico, medico e industriale e offre affidabilità e tolleranza ai guasti 

• FreeRTOS: questo RTOS open source e leggero è ideale per sistemi integrati, microcontrollori, dispositivi IoT ed elettronica di consumo, in quanto privilegia semplicità ed efficienza.

• RTEMS: questo RTOS open source è progettato per sistemi integrati ad alte prestazioni, comunemente utilizzati in applicazioni aerospaziali, di telecomunicazione e robotica.

• emBOS: questo RTOS compatto è noto per la sua scalabilità e le sue prestazioni deterministiche ed è spesso utilizzato in sistemi industriali e medici in cui l'affidabilità è fondamentale.

• Zephyr: questo RTOS open source e scalabile di Linux Foundation è ottimizzato per dispositivi piccoli e con risorse limitate, come gadget IoT e dispositivi indossabili.

• ThreadX: questo RTOS ad alte prestazioni, celebre per la sua impronta minima e per la gestione efficiente delle risorse, è spesso utilizzato nell'elettronica di consumo e nei sistemi automobilistici e industriali.