ما هو نظام التشغيل الآني (RTOS)؟

هذه الأنظمة ضرورية في تطبيقات مثل الأتمتة الصناعية التشغيل الآلي والأجهزة الطبية والأنظمة المدمجة حيث يمكن أن يكون للتأخير أو الفشل عواقب وخيمة. تُستخدم أنظمة التشغيل الآنية أيضًا بشكل شائع في البيئات عالية المخاطر (على سبيل المثال، الفضاء والدفاع) حيث تكون الاستجابات في الوقت الحقيقي ضرورية للسلامة والأداء.

يقوم كل من نظام التشغيل ذي الأغراض العامة (GPOS) ونظام التشغيل الآني (RTOS) بتنسيق موارد أجهزة النظام (مثل وحدة المعالجة المركزية والذاكرة وأجهزة الإدخال/الإخراج والتخزين)، ومع ذلك يختلفان اختلافًا كبيرًا في تركيزهما وقدراتهما.

تُركز أنظمة التشغيل—مثل Microsoft Windows و Linux و Unix —على تعظيم كفاءة النظام الإجمالية ودعم تعدد المهام، ولكنها تعتمد على الجدولة غير الحتمية. وباعتبارها أنظمة غير وقتية، فقد لا تتمكن دائمًا من إكمال المهام في الوقت المحدد، وخاصةً تحت الحمل الثقيل أو في بيئات الأجهزة الافتراضية (VM) حيث تتم مشاركة الموارد.

على عكس نظام التشغيل ذي الأغراض العامة، تم تصميم نظام التشغيل الآني للتطبيقات في الوقت الفعلي ويضمن أن المهام تلبي متطلبات التوقيت الصارمة، غالبًا في غضون ميكروثانية. تتم إدارة الموارد في النظام الآني بجدولة حتمية لضمان إكمال المهام ذات الأولوية العالية ضمن أطر زمنية محددة، حتى في ظل التحميل. على الرغم من أن RTOS يمكنه دعم الأجهزة الافتراضية، إلا أن عبء المحاكاة الافتراضية قد يؤثر على قدرته على تلبية الطلبات في الوقت الفعلي.

بدأت أنظمة التشغيل الآنية في التطور في الستينيات والسبعينيات من القرن العشرين لتلبية احتياجات التطبيقات الحساسة للوقت، بشكل أساسي في القطاعات العسكرية والفضائية والصناعية. لم يتم تصميم أنظمة التشغيل التقليدية لاستجابات سريعة يمكن التنبؤ بها، لذلك تم إنشاء أنظمة التشغيل الآنية لضمان استيفاء المهام للمواعيد النهائية الصارمة التي يمكنها التعامل مع الأحداث الخارجية بأقل قدر من التأخير. شملت الابتكارات الرئيسية خلال هذه الفترة خوارزميات الجدولة الاستباقية وتحسينات في تحديد أولويات المهام ومعالجة الانقطاع.

في الثمانينيات والتسعينيات ، أصبحت منتجات RTOS التجارية (مثل VxWorks و QNX) مستخدمة على نطاق واسع، لا سيما في صناعات مثل الاتصالات والسيارات والأنظمة المدمجة. ساعدت جهود التوحيد القياسي، مثل ملحقات POSIX للوقت الفعلي، في توحيد تصميم أنظمة التشغيل الآنية. في العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، أدى نمو إنترنت الأشياء (IoT) والأنظمة المدمجة إلى زيادة شعبية أنظمة التشغيل خفيفة الوزن في الوقت الفعلي، مثل FreeRTOS.

اليوم، تلعب أنظمة التشغيل الآنية دورًا حاسمًا في ضمان تشغيل موثوق وفي الوقت الفعلي في مجموعة واسعة من التطبيقات، بدءًا من الأجهزة الطبية وصولًا إلى أنظمة التحكم الصناعية المرتبطة بالبنية التحتية الحيوية. بالإضافة إلى ذلك، تدمج العديد من أنظمة التشغيل الآنية الذكاء الاصطناعي (AI) والتعلم الآلي (ML) للتعامل مع أنظمة أكثر ديناميكية وتكيفًا وتعقيدًا. على سبيل المثال، يمكن لنظام RTOS المدعوم بالذكاء الاصطناعي تحليل أنماط البيانات، والتنبؤ بالفشل، وتحسين جدولة المهام في الوقت الفعلي بناءً على ظروف النظام.

تم تقدير حجم سوق أنظمة التشغيل الآنية (RTOS) بنحو 5.97 (مليار دولار أمريكي) في عام 2024. وعلاوة على ذلك، من المتوقع أن ينمو السوق من 6.41 (مليار دولار أمريكي) في عام 2025 إلى 12.21 (مليار دولار أمريكي) بحلول عام 2034، بمعدل نمو سنوي مركب (CAGR) يبلغ 7.41% خلال الفترة المتوقعة (2025 - 2034).¹

تتضمن الخصائص الرئيسية لنظام التشغيل الآني (RTOS) ما يلي:

• الحتمية: يضمن نظام التشغيل الآني تنفيذ المهام ضمن إطار زمني ثابت يمكن التنبؤ به، وهو أمر ضروري للتطبيقات الحساسة للوقت.

• تعدد المهام: ينطوي تعدد المهام في نظام التشغيل الآني على جدولة وإدارة مهام متعددة، وتحديد ترتيب تنفيذ المهام، والتبديل بينها بسرعة، مما يعطي انطباعًا بالتنفيذ المتوازي. 

• إدارة الذاكرة: يمنع نظام التشغيل الآني المهام من التداخل مع مساحة ذاكرة بعضها البعض، مما يحسّن استقرار النظام وأمانه.

• أقل قدر من زمن الانتقال: يقلل نظام التشغيل الآني من وقت الاستجابة للأحداث أو الانقطاعات الخارجية، مما يضمن ردود فعل سريعة في بيئات الوقت الفعلي ويقلل من زمن انتقال الانقطاعات. تؤدي عملية تبديل السياق الفعالة في نظام التشغيل الآني (RTOS) إلى تقليل زمن انتقال تبديل المهام بشكل أكبر، مما يسمح بتبديل المهام داخل وخارج وحدة المعالجة المركزية بسرعة، وهذا يقلل التأخير بين عمليات التنفيذ ويعزز استجابة النظام بشكل عام.

• جدولة قائمة على الأولوية: يقوم نظام التشغيل الآني بتنفيذ المهام ذات الأولوية الأعلى قبل المهام ذات الأولوية الأدنى، مع التأكد من التعامل مع المهام الحساسة أولاً.

• تخصيص الموارد: يعالج نظام التشغيل الآني بكفاءة تخصيص الذاكرة وقوة المعالجة وموارد النظام الأخرى لدعم الأداء في الوقت الفعلي.

• معالجة الانقطاع: يستجيب نظام التشغيل الآني (RTOS) بسرعة وكفاءة لانقطاعات الأجهزة أو البرامج باستخدام آليات واجهة برمجة تطبيقات RTOS. تقلل هذه الإمكانية من الوقت المستغرق في التعامل مع الانقطاعات وتضمن إكمال المهام في الوقت الفعلي.

• مزامنة المهام: يوفر نظام التشغيل الآني (RTOS) اتصالات بين المهام (ITC) بآليات مثل الإشارات الثنائية وقوائم الانتظار للرسائل لمزامنة المهام وضمان المشاركة الآمنة للموارد بين مهام متعددة.

هناك ثلاثة أنواع رئيسية من أنظمة التشغيل الآنية (RTOSes)، كل منها مصمم للتعامل مع مستويات مختلفة من دقة التوقيت (غالبا بالمللي ثانية) والتسامح مع المواعيد النهائية الفائتة:

• أنظمة تشغيل آنية صلبة

• أنظمة تشغيل آنية ثابتة

• أنظمة تشغيل آنية مرنة

تم تصميم أنظمة التشغيل الآنية الصلبة مع قيود توقيت صارمة عندما يكون الوفاء بالمواعيد النهائية أمرًا بالغ الأهمية. يمكن أن يكون لأي فشل في الوفاء بالموعد النهائي عواقب وخيمة، مما يجعل الموثوقية ذات أهمية قصوى. تشمل التطبيقات الشائعة لأنظمة التشغيل الأنية الصلبة مجالات مثل الطيران والفضاء، والتشغيل الآلي، وأنظمة التحكم الصناعية. لتلبية هذه المتطلبات الصارمة، غالبًا ما يتم تبسيط أنظمة الملفات في أنظمة الوقت الفعلي الصلبة لتقليل النفقات العامة، مما يضمن الوصول إلى البيانات أو كتابتها ضمن قيود التوقيت الصارمة.

تتطلب أنظمة التشغيل الآنية الثابتة عادة الوفاء بالمواعيد النهائية، ولكن يمكنها تحمل التأخيرات العرضية دون التسبب في مشكلات كبيرة. تتضمن أمثلة هذه الأنظمة تشغيل الوسائط المتعددة، والشبكات، وبعض تطبيقات الأتمتة الصناعية.

تركز أنظمة التشغيل الآنية المرنة على التنفيذ في الوقت المناسب، لكن تفويت الموعد النهائي ليس له عواقب هامة. لا يزال بإمكان النظام العمل بشكل صحيح، وإن كان ذلك بأداء منخفض. تتضمن الأمثلة أنظمة تشغيل سطح المكتب وخوادم الويب وبعض أدوات الأتمتة المكتبية.

نظام التشغيل الآني (RTOS) يوفر العديد من الميزات الرئيسية، مما يجعله مثاليًا للتطبيقات الحساسة ومحدودة الموارد:

• الموثوقية والقدرة على التنبؤ

• الحد الأدنى من النفقات العامة

• تحمّل الخطأ

• تعزيز كفاءة النظام

• تعزيز السلامة

• قابلية التوسع

• استقرار النظام

تُستخدم أنظمة التشغيل الآنية في مجموعة متنوعة من الصناعات حيث يعد التوقيت الدقيق والموثوقية والسلوك المتوقع أمرًا ضروريًا للتطبيقات الحساسة:

• الطيران

• التشغيل الآلي

• أنظمة التحكم الصناعية

• أجهزة الرعاية الصحية

• أنظمة السيارات

• الاتصالات

• الدفاع والجيش

تُستخدم أنظمة التشغيل الآنية في الأنظمة الجوية للتحكم في الطيران والملاحة والتطبيقات بالغة الأهمية حيث تكون دقة التوقيت ضرورية. باستخدام الحوسبة عالية الأداء (HPC)، يمكن لهذه الأنظمة المهمة معالجة البيانات المعقدة من أجهزة استشعار مختلفة في الوقت الفعلي، مما يضمن استجابات سريعة ودقيقة ضرورية للسلامة والأداء.

في التشغيل الآلي، تضمن أنظمة التشغيل الآنية التحكم في الوقت الفعلي في الحركات الروبوتية ومعالجة أجهزة الاستشعار والاتصالات. تحتاج هذه الأنظمة إلى العمل بدقة عالية وزمن انتقال منخفض، خاصة في الأتمتة الصناعية والروبوتات الطبية والمركبات ذاتية القيادة.

يتم تطبيق نظام التشغيل الآني بشكل شائع في أنظمة التحكم الصناعية، مثل عمليات التصنيع والأتمتة وخطوط التجميع. تتطلب هذه الأنظمة قيودًا صارمة على التوقيت لمراقبة أجهزة الاستشعار وغيرها من المعدات في الوقت الفعلي.

يُستخدم نظام التشغيل الآني في الأجهزة الطبية مثل أجهزة تنظيم ضربات القلب ومضخات الحقن ومعدات التشخيص، حيث تعتبر العملية في الوقت المناسب والقابلة للتنبؤ ضرورية لضمان سلامة المرضى وموثوقية الجهاز.

في تطبيقات السيارات، تدعم أنظمة التشغيل الآنية وظائف حاسمة—مثل أنظمة القيادة الذاتية وأنظمة مساعدة السائق المتقدمة (ADAS)—حيث تعتبر السلامة والاستجابة السريعة أساسيتين.

يعتبر نظام التشغيل الآني (RTOS) أساسيًا في البنية التحتية للاتصالات السلكية واللاسلكية، بما في ذلك محطات القاعدة المتنقلة وأنظمة الاتصالات عبر الأقمار الصناعية، حيث تعد المعالجة في الوقت الفعلي والأداء منخفض زمن الانتقال ضروريين للحفاظ على اتصالات مستقرة وسريعة.

يتم استخدام RTOS في التطبيقات الدفاعية والعسكرية لأنظمة الرادار وأنظمة التحكم في الأسلحة والمراقبة، حيث تكون الدقة التشغيلية والسرعة ضرورية لإثبات نجاح المهمة وسلامتها.

تم تصميم أنظمة التشغيل الآنية (RTOSes) الشائعة لتلبية الاحتياجات المحددة لمختلف الصناعات. وقد تم تحسينها لتعمل على معالجات مثل Intel و ARM، مما يضمن أداءً عاليًا وموثوقية وكفاءة عالية عبر تطبيقات متنوعة:

• VxWorks: نظام التشغيل الآني (RTOS) عالي الموثوقية هذا، والمستخدم في مجالات الطيران والدفاع والأتمتة الصناعية، مشهور بقابليته للتوسع وميزات الأمان والسلامة.

• QNX: نظام التشغيل الآني (RTOS) المعياري والمتوافق مع معيار POSIX يحظى بتقدير كبير في قطاعات السيارات والطب والصناعة، حيث يوفر موثوقية وتحملاً للأخطاء 

• FreeRTOS: نظام تشغيل مفتوح المصدر، وخفيف الوزن مثالي للأنظمة المدمجة، وأجهزة التحكم الدقيقة وأجهزة إنترنت الأشياء (IOT) والإلكترونيات الاستهلاكية، مع التركيز على البساطة والكفاءة.

• RTEMS: نظام تشغيل آني مفتوح المصدر مُصمم لأنظمة مُدمجة عالية الأداء، ويُستخدم عادةً في تطبيقات الفضاء الجوي والاتصالات السلكية واللاسلكية والروبوتات.

• embOS: يُعرف نظام التشغيل الآني المدمج هذا بقابليته للتوسع والأداء الحتمي، وغالباً ما يُستخدم في الأنظمة الصناعية والطبية حيث تكون الموثوقية هي الأساس.

• Zephyr: نظام تشغيل آني مفتوح المصدر وقابل للتوسع من مؤسسة Linux، وهو مُحسَّن للأجهزة الصغيرة ذات الموارد المحدودة، مثل أدوات إنترنت الأشياء والأجهزة القابلة للارتداء.

• ThreadX: نظام التشغيل الآني عالي الأداء هذا، المعروف بحجمه الصغير وإدارة الموارد الفعالة، يُستخدم بشكل متكرر في الإلكترونيات الاستهلاكية والسيارات والأنظمة الصناعية.