リアルタイム・オペレーティング・システム（RTOS）とは

これらのシステムは、遅延や障害が深刻な結果をもたらす可能性がある産業オートメーション、ロボティクス、医療機器、および組み込み型システムなどのアプリケーションでは非常に重要です。リアルタイム・オペレーティング・システムは、安全性とパフォーマンスのためにリアルタイムの応答が不可欠であるリスクの高い環境（航空宇宙や防衛など）でも一般的に使用されています。

汎用オペレーティング・システム（GPOS）とリアルタイム・オペレーティング・システム（RTOS）はどちらもシステム・ハードウェア・リソース（CPU、メモリ、I/Oデバイス、ストレージなど）を調整しますが、その焦点と機能は大きく異なります。

Microsoft Windows、Linux、Unixなどのオペレーティング・システムは、システム全体の効率を最大化し、マルチタスクをサポートすることに重点を置いていますが、非決定論的なスケジューリングに依存しています。非リアルタイムなシステムであるため、特に負荷が高い場合やリソースが共有される仮想マシン（VM）環境では、タスクが時間どおりに完了しない可能性があります。

汎用OSとは対照的に、リアルタイムOSはリアルタイム・アプリケーション向けに設計されており、タスクが厳しいタイミング要件（多くの場合マイクロ秒以内）を満たすことを保証します。リアルタイム・システムのリソースは確定的なスケジューリングで管理され、負荷がかかっていても、優先度の高いタスクが特定の時間枠内に完了するようにします。RTOSはVMをサポートできますが、仮想化のオーバーヘッドがリアルタイムの要求を満たす能力に影響を与える可能性があります。

リアルタイム・オペレーティング・システムは、1960年代から1970年代にかけて、主に軍事、航空宇宙、工業分野の、タイムセンシティブなアプリケーションのニーズに応えるために開発が開始されました。従来のオペレーティング・システムは、予測可能で高速な応答ができるようには設計されていなかったため、リアルタイム・オペレーティング・システムは、外部からのイベントを最小限の遅れで処理し、タスクが厳格な期限に間に合うように作成されました。この時期の主なイノベーションには、プリエンプティブ・スケジューリング・アルゴリズム、タスクの優先順位付けと割り込み処理の改善などがありました。

1980年代と1990年代には、商用RTOS製品（VxWorks、QNXなど）が、特に電気通信、自動車、組み込みシステムなどの業種・業務で広く使用されるようになりました。POSIXリアルタイム拡張機能などの標準化の取り組みは、リアルタイム・オペレーティング・システムの設計を統一することに貢献しました。2000年代には、IoT（モノのインターネット）と組み込みシステムの成長により、FreeRTOSなどの軽量リアルタイム・オペレーティング・システムが普及しました。

今日、リアルタイム・オペレーティング・システムは、医療機器からクリティカル・インフラストラクチャに関連付けられた産業用制御システムまで、幅広いアプリケーションで信頼性の高いリアルタイムのオペレーションを確保する上で重要な役割を果たしています。さらに、多くのリアルタイム・オペレーティング・システムでは、より動的で適応性に優れた複雑なシステムを処理できるように、人工知能（AI）と機械学習（ML）が組み込まれています。たとえば、AI対応のRTOSは、データ・パターンを分析し、故障を予測し、システムの状態に基づいてリアルタイムでタスクのスケジュールを最適化できます。

RTOSの市場規模は、2024年には59.7億米ドルと推定されました。さらに、市場は2025年の64.1億米ドルから2034年までに122.1億米ドルに成長し、予測期間（2025年から2034年）の複合年間成長率（CAGR）は7.41％になると予想されています。¹

リアルタイム・オペレーティング・システム（RTOS）の主要な機能には以下のようなものがあります。

• 決定性：RTOSは、タスクが予測可能な一定の時間内に実行されることを保証する。これは、タイムセンシティブなアプリケーションには不可欠である。

• マルチタスク：RTOSにおけるマルチタスクは、複数のタスクをスケジューリングして管理し、タスクの実行順序を決定し、並列実行されているような印象を与えるほど、タスクを高速に切り替える。

• メモリ管理：RTOSは、タスクがお互いのメモリ空間を干渉することを防ぎ、システムの安定性とセキュリティを向上させる。

• 最小レイテンシー：RTOSは、外部イベントや割り込みに対する応答時間を短縮し、リアルタイム環境での迅速な対応を確保し、割り込みレイテンシーを最小限に抑える。RTOSの効率的なコンテキスト・スイッチングにより、タスク切り替えのレイテンシーがさらに最小限に抑えられ、タスクをCPUの内外に迅速に交換できるようになり、実行間の遅延が減り、システム全体の応答性が向上する。

• 優先度ベースのスケジューリング：RTOSは、優先度の高いタスクを優先度の低いタスクよりも先に実行し、重要なタスクが最初に処理されるようにする。

• リソース割り当て：RTOSは、メモリ割り当て、処理能力、その他のシステム・リソースを効率的に処理し、リアルタイムのパフォーマンスをサポートする。

• 割り込み処理：RTOSは、RTOSのアプリケーション・プログラミング・インターフェース（API）メカニズムを使用して、ハードウェアまたはソフトウェアの割り込みに迅速かつ効率的に応答する。この機能により、割り込みの処理に要する時間が最小限に抑えられ、リアルタイムでのタスクの完了が確保される。

• タスク同期：RTOSは、スマートフォンやメッセージ・キューなどのメカニズムを備えたタスク間通信（ITC）を提供し、タスクを同期させ、複数のタスク間でリソースを安全に共有できるようにする。

リアルタイム・オペレーティング・システム（RTOS）には主に3つのタイプがあり、それぞれにさまざまなレベルのタイミング精度（多くの場合、ミリ秒単位）と期限を逸すことへの許容度が設計されています。

• ハード・リアルタイム・オペレーティング・システム

• ファーム・リアルタイム・オペレーティング・システム

• ソフト・リアルタイム・オペレーティング・システム

ハード・リアルタイム・オペレーティング・システムは、期限に間に合うことが不可欠である場合に備えて、厳格なタイミング制約を備えて設計されています。期限を守れないと深刻な結果を招く可能性があるため、信頼性が最重要課題となります。ハード・リアルタイム・オペレーティング・システムの一般的なアプリケーションには、航空宇宙、ロボティクス、産業用制御システムなどがあります。これらの厳しい要件を満たすために、ハード・リアルタイム・システムのファイル・システムは、多くの場合、オーバーヘッドを削減するように合理化され、厳密なタイミング制約内でデータにアクセスまたは書き込まれるようにします。

ファーム・リアルタイム・オペレーティング・システムでは通常、期限を守ることが求められますが、重大な問題を引き起こすことなく、ある程度の頻度において遅延を許容できます。このようなシステムの例としては、マルチメディア再生、ネットワーキング、特定の産業オートメーション・アプリケーションなどが挙げられます。

ソフト・リアルタイム・オペレーティング・システムはタイムリーな実行を重視しますが、期限に間に合わなくても重大な結果を招くことはありません。システムは、パフォーマンスは低下しますが、正常に機能します。例としては、デスクトップ・オペレーティング・システム、Webサーバー、一部のオフィス・オートメーション・ツールなどがあります。

リアルタイム・オペレーティング・システム（RTOS）には、重要でリソースに制約のあるアプリケーションに対して理想的である、以下のようなさまざまなメリットがあります。

• 信頼性と予測可能性

• 最小限のオーバーヘッド

• フォールト・トレランス

• システム効率の向上

• 安全性の向上

• 拡張性

• システムの安定性

リアルタイム・オペレーティング・システムは、重要なアプリケーションにおいて正確なタイミング、信頼性、予測可能な動作が不可欠な、次のような業種・業務で使用されています。

• 航空宇宙業界

• ロボティクス

• 産業用制御システム

• 医療機器

• 自動車システム

• 通信

• 防衛・軍事

リアルタイム・オペレーティング・システムは、航空宇宙システムにおける航空管制、ナビゲーション、およびタイミングの精度が不可欠であるミッションクリティカルなアプリケーションで利用されています。これらの重要なシステムは、高性能コンピューティング（HPC）を使用して、さまざまなセンサーからの複雑なデータをリアルタイムで処理し、安全性とパフォーマンスに不可欠な迅速かつ正確な応答を確保します。

ロボティクスでは、リアルタイム・オペレーティング・システムを使用して、ロボットの動き、センサー処理、通信をリアルタイムで制御します。これらのシステムは、特に産業オートメーション、医療ロボット、自動運転車では、高精度かつ低遅延で動作する必要があります。

RTOSは、製造プロセス、プラント・オートメーション、組立ラインなどの産業用制御システムに一般的に使用されています。これらのシステムでは、センサーとその他の設備をリアルタイムで監視するために、厳しいタイミングの制約が必要です。

RTOSは、ペースメーカー、注入ポンプ、診断設備などの医療機器で使用されており、それらには、患者の安全と機器の信頼性を確保するために、タイムリーで予測可能なオペレーションが求められます。

自動車アプリケーションでは、リアルタイム・オペレーティング・システムが、自律走行システムや先進運転支援システム（ADAS）など、安全性と応答性が鍵となる重要な機能をサポートしています。

RTOSは、モバイル基地局や衛生通信システムなどの電気通信インフラストラクチャーにおいて不可欠であり、この分野では安定した高速接続を維持するためにリアルタイムの処理と低遅延のパフォーマンスが求められます。

RTOSは、レーダー・システム、兵器管理、監視システムなどの防衛および軍事を目的とした用途で使用され、この分野では、作戦の成功と安全性を確立するために運用の精度と速度が不可欠です。

これらの一般的なリアルタイム・オペレーティング・システム（RTOS）は、さまざまな業種・業務の特定のニーズを満たすように設計されています。これらは、IntelやARMなどのプロセッサー上で実行されるように最適化されており、以下のようなさまざまなアプリケーションにわたって高い性能、信頼性、効率性を確保します。

• VxWorks：この信頼性の高いRTOSは、航空宇宙、防衛、産業オートメーションで使用され、その拡張性、セキュリティ、安全性に関する機能で知られている。

• QNX：POSIX準拠のモジュール型RTOSで、自動車、医療、産業分野で採用されており、信頼性とフォールト・トレランスを提供する。

• FreeRTOS：このオープンソースの軽量RTOSは、シンプルさと効率性を重視し、組み込みシステム、マイクロコントローラ、IoT（モノのインターネット）デバイス、家電製品に適している。

• RTEMS：このオープンソースのRTOSは、高性能の組み込みシステム用に設計されており、一般的に航空宇宙、通信、ロボティクスの分野で導入されている。

• embOS：このコンパクトなRTOSは、拡張性と決定論的なパフォーマンスで知られており、多くの場合、信頼性が重要な産業システムや医療システムで使用される。

• Zephyr：Linux Foundation提供のこのオープンソースでスケーラブルなRTOSは、IoT（モノのインターネット）ガジェットやウェアラブルなど、リソースに制約のある小型デバイス向けに最適化されている。

• ThreadX：この高性能なRTOSは、最小限のフットプリントと効率的なリソース管理で知られており、家電製品、自動車、産業システムで多く使用されている。