Операционные системы реального времени (RTOS)

Операционные системы реального времени (ОСРВ, англ. Real-Time Operating Systems, RTOS) — это специализированные операционные системы, предназначенные для управления и координации задач в системах, где критически важно обеспечить обработку данных и выполнение операций в строго определённые сроки. ОСРВ обеспечивают быстрое и предсказуемое выполнение задач, что необходимо в приложениях, где задержка в обработке данных может привести к серьёзным последствиям, таким как сбой оборудования, потеря данных или угроза безопасности.

Управление устройством в реальном времени представляет собой деятельность, связанную с обеспечением выполнения операций и обработки данных в строго определённые временные интервалы, что критически важно для систем, где задержка в реагировании может привести к серьёзным последствиям, таким как сбой оборудования, потеря данных или угроза безопасности. В рамках такого управления осуществляется мониторинг состояния устройства, анализ поступающих данных, принятие решений и выполнение соответствующих команд в минимально возможные сроки, что требует высокой надёжности и предсказуемости работы программного обеспечения.

Ключевые аспекты данного процесса:

• обеспечение быстрого реагирования на входные сигналы и события,
• координация работы аппаратных и программных компонентов устройства,
• реализация алгоритмов управления с учётом временных ограничений,
• мониторинг состояния устройства и его окружения,
• обработка данных с минимизацией задержек,
• обеспечение взаимодействия с другими системами и устройствами.

Эффективность управления устройством в реальном времени во многом определяется качеством используемых программных решений, которые должны обеспечивать высокую скорость обработки данных, предсказуемость выполнения задач и надёжность работы в условиях повышенных требований к времени реакции. Цифровые (программные) решения, включая операционные системы реального времени и специализированное прикладное ПО, играют ключевую роль в реализации такого управления, позволяя достичь необходимого уровня производительности и надёжности системы.

Операционные системы реального времени в основном используют следующие группы пользователей:

• производители и эксплуатанты промышленного оборудования и автоматизированных производственных линий, где требуется высокая надёжность и точность выполнения операций;
• компании, разрабатывающие и использующие системы управления беспилотными летательными аппаратами и другими роботизированными системами, где важна мгновенная обработка данных;
• организации, работающие в сфере телекоммуникаций и сетевого оборудования, которым необходимо обеспечивать стабильную и быструю передачу данных;
• предприятия энергетической отрасли, использующие ОСРВ для управления генерирующими и распределительными сетями, где задержки могут привести к серьёзным сбоям;
• разработчики и операторы медицинских устройств и систем, где точность и скорость обработки данных критически важны для безопасности пациентов;
• компании, занимающиеся разработкой и эксплуатацией систем управления транспортом и логистическими процессами, где необходимо оперативно обрабатывать большие объёмы данных.

Администрирование

Возможность администрирования позволяет осуществлять настройку и управление функциональностью системы, а также управление учётными записями и правами доступа к системе.

Импорт/экспорт данных

Возможность импорта и/или экспорта данных в продукте позволяет загрузить данные из наиболее популярных файловых форматов или выгрузить рабочие данные в файл для дальнейшего использования в другом ПО.

Многопользовательский доступ

Возможность многопользовательской доступа в программную систему обеспечивает одновременную работу нескольких пользователей на одной базе данных под собственными учётными записями. Пользователи в этом случае могут иметь отличающиеся права доступа к данным и функциям программного обеспечения.

Наличие API

Часто при использовании современного делового программного обеспечения возникает потребность автоматической передачи данных из одного ПО в другое. Например, может быть полезно автоматически передавать данные из Системы управления взаимоотношениями с клиентами (CRM) в Систему бухгалтерского учёта (БУ). Для обеспечения такого и подобных сопряжений программные системы оснащаются специальными Прикладными программными интерфейсами (англ. API, Application Programming Interface). С помощью таких API любые компетентные программисты смогут связать два программных продукта между собой для автоматического обмена информацией.

Отчётность и аналитика

Наличие у продукта функций подготовки отчётности и/или аналитики позволяют получать систематизированные и визуализированные данные из системы для последующего анализа и принятия решений на основе данных.

На основе своего экспертного мнения Соваре рекомендует наиболее внимательно подходить к выбору решения. При выборе программного продукта из функционального класса операционных систем реального времени (ОСРВ) необходимо учитывать ряд ключевых факторов, которые определяются спецификой задач и особенностями сферы применения. Прежде всего, следует проанализировать масштаб деятельности компании и требования к производительности системы: для малых встраиваемых систем могут подойти более лёгкие и компактные ОСРВ, тогда как для крупных промышленных систем потребуются решения с высокой масштабируемостью и поддержкой большого количества задач и устройств. Также важно учитывать отраслевые требования и стандарты, например, в авиационной и автомобильной промышленности существуют строгие нормы к надёжности и безопасности ПО, которые должны быть учтены при выборе ОСРВ. Не менее значимы технические ограничения, включая архитектуру аппаратной платформы (например, поддержка определённых процессоров и микроконтроллеров), объём доступной памяти и требования к энергопотреблению. Кроме того, необходимо оценить требования к функциональности, такие как поддержка многозадачности, механизмов реального времени, интерфейсов взаимодействия с аппаратными и программными компонентами, а также возможности интеграции с существующими системами и сервисами.

Ключевые аспекты при принятии решения:

• совместимость с аппаратной платформой (поддержка конкретных процессоров, микроконтроллеров и периферийных устройств);
• соответствие отраслевым стандартам и нормам (например, DO-178B для авиационной промышленности, ISO 26262 для автомобильной промышленности);
• уровень надёжности и отказоустойчивости (возможность работы в условиях высоких нагрузок, наличие механизмов восстановления после сбоев);
• поддержка многозадачности и многопоточности с гарантированным временем отклика;
• наличие средств для разработки и отладки приложений в реальном времени;
• возможности интеграции с другими системами и сервисами (API, протоколы обмена данными);
• наличие документации, технической поддержки и сообщества разработчиков;
• лицензирование и стоимость владения, включая возможные расходы на обновление и техническую поддержку.

Окончательный выбор ОСРВ должен базироваться на тщательном анализе всех вышеперечисленных факторов с учётом специфики проекта и долгосрочных целей компании. Важно также предусмотреть возможность дальнейшего развития и масштабирования системы, чтобы выбранное решение не стало ограничивающим фактором в будущем.

Операционные системы реального времени (ОСРВ) играют ключевую роль в системах, где требуется высокая надёжность и предсказуемость работы. Их применение обеспечивает ряд существенных преимуществ, которые особенно важны в критически важных приложениях.

• Предсказуемость выполнения задач. ОСРВ гарантируют строгое соблюдение временных интервалов выполнения задач, что критически важно для систем, где задержка может привести к серьёзным последствиям, например, в промышленном оборудовании или медицинских устройствах.

• Высокая надёжность системы. Благодаря специализированной архитектуре и механизмам управления ресурсами ОСРВ минимизируют вероятность сбоев и нестабильной работы, что повышает общую надёжность системы и снижает риск отказов.

• Оптимизация использования ресурсов. ОСРВ эффективно управляют ресурсами аппаратного обеспечения, такими как процессорное время и оперативная память, что позволяет достигать высокой производительности даже на устройствах с ограниченными вычислительными возможностями.

• Поддержка жёстких временных ограничений. В системах, где необходимо соблюдать жёсткие временные рамки (например, в авиационной и автомобильной промышленности), ОСРВ обеспечивают необходимую точность и скорость обработки данных, что невозможно достичь с помощью обычных операционных систем.

• Улучшение безопасности системы. ОСРВ предоставляют механизмы изоляции процессов и управления доступом к ресурсам, что затрудняет несанкционированный доступ и снижает уязвимость системы к внешним и внутренним угрозам.

• Упрощение разработки специализированного ПО. Разработчики могут использовать стандартизированные интерфейсы и API, предоставляемые ОСРВ, что ускоряет процесс создания приложений для встраиваемых систем и снижает сложность разработки.

• Совместимость с встраиваемыми системами. ОСРВ легко интегрируются во встраиваемые устройства и специализированное оборудование, что делает их незаменимыми в таких областях, как робототехника, промышленное управление и системы автоматизации.

Классификатор программных продуктов Соваре определяет конкретные функциональные критерии для систем. Для того, чтобы быть представленными на рынке, Операционные системы реального времени должны иметь следующие функциональные возможности:

• обеспечение детерминированного времени выполнения задач, то есть предсказуемой и стабильной задержки между запуском задачи и её завершением,
• поддержка многозадачности с возможностью приоритетного планирования процессов, что позволяет оперативно обрабатывать критически важные задачи,
• минимизация времени отклика системы на внешние и внутренние события,
• возможность работы в условиях жёстких временных ограничений и реального времени без потери производительности,
• обеспечение эффективного управления ресурсами (процесорами, памятью, периферийными устройствами) с учётом требований по времени выполнения задач.

По аналитическим данным Соваре, в 2025 году на рынке операционных систем реального времени (ОСРВ) можно ожидать усиления тенденций, связанных с повышением требований к безопасности и надёжности систем, интеграцией с технологиями искусственного интеллекта и машинного обучения, развитием поддержки гетерогенных вычислительных архитектур, а также расширением применения ОСРВ в критически важных и высоконагруженных системах.

• Усиление требований к кибербезопасности. В условиях роста числа киберугроз разработчики ОСРВ будут уделять больше внимания внедрению механизмов защиты данных и обеспечению соответствия международным стандартам безопасности.

• Интеграция с ИИ и машинным обучением. ОСРВ начнут активнее поддерживать алгоритмы машинного обучения для оптимизации управления ресурсами и прогнозирования нагрузок, что позволит повысить эффективность работы систем в реальном времени.

• Развитие поддержки гетерогенных систем. ОСРВ будут обеспечивать более гибкую работу с различными аппаратными платформами и архитектурами, что расширит возможности их применения в мультипроцессорных и многоядерных системах.

• Повышение предсказуемости производительности. Разработчики будут стремиться минимизировать вариативность времени отклика систем, чтобы обеспечить максимально предсказуемое выполнение задач в условиях жёстких временных ограничений.

• Расширение применения в IoT. С ростом числа устройств интернета вещей ОСРВ станут ключевым компонентом для управления распределёнными сетями сенсоров и исполнительных механизмов, требующих мгновенной обработки данных.

• Оптимизация энергопотребления. В условиях повышения требований к энергоэффективности ОСРВ будут включать функции динамического управления ресурсами для минимизации потребления энергии без потери производительности.

• Усовершенствование инструментов разработки и отладки. Появится больше средств для моделирования и тестирования ОСРВ, что упростит процесс разработки приложений и повысит качество кода за счёт более эффективного выявления и устранения ошибок.

Россия

МАКС ОСРВ, BY-InformixII

Испания

Enea OSE, Enea OSEck

США

Integrity RTOS, RedHawk Linux, Wittenstein FreeRTOS, Deos

Нидерланды

FreeRTOS

Япония

eT-Kernel