RTOS vs GPOS:完全ガイド

この現代では、オペレーティング システムを必要とする多くのソフトウェアおよびハードウェア ソリューションを見てきました。オペレーティング システムは、これらのデバイスがスムーズに動作し、さまざまなタスクを処理するのに役立ちます。ただし、電子機器の愛好家として、プロジェクトに必要なオペレーティング システムの種類について、より多くの洞察が必要になる可能性があります。ありがたいことに、私たちはあなたが必要とするものを持っています。この記事では、RTOS と GPOS、それらの比較、およびさまざまな種類のアプリケーションに関するすべてを見つけることができます。また、単にこれらのオペレーティング システムについて詳しく知りたい場合は、ここが適切な場所です。

準備？始めましょう。

汎用オペレーティング システム (GPOS)

GPOS は、多数のプロセスを管理し、単位時間ごとに実行を完了することができるオペレーティング システムです。これをスループットと呼びます。汎用 OS では、優先度の高いスレッドの実行を遅らせて、優先度の低いプロセスを 5 つまたは 6 つ実行することがありました。

コンピュータ ワークステーション

したがって、必要な高スループットを達成するには、優先度の高いプロセスを 1 つ実行するのではなく、優先度の低いタスクを 5 つ処理します。つまり、優先度の低いタスクが実行のためにキューに入れられている場合、GPOS はこれらのタスクを最初に実行できるようにして、高いスループットを維持します。

現在、ほとんどの汎用オペレーティング システムは公平性ポリシーを使用して、プロセスとスレッドを CPU に渡します。

さらに、このポリシーにより、GPOS は、デスクトップおよびサーバー アプリケーションが効率的に動作するために必要な全体的に高い出力を提供できます。

ただし、優先度の高いタスクまたはタイム クリティカルなスレッドが、優先度の低いスレッドの前に実行されることを保証することはできません。したがって、汎用オペレーティング システムは、複数のタスクを同時に実行するデバイスでより適切に機能します。

パソコン（PC）

リアルタイム オペレーティング システム (RTOS)

一方、RTOS は、タイム クリティカルなアプリケーションを高精度で処理する設計になっています。オペレーティング システムがこのカテゴリに該当するためには、実行する重要な操作ごとに最大期間が必要です。つまり、時間制限のあるシステムです。

リアルタイム オペレーティング システムは非常に複雑です。しかし、心配しないでください。 RTOS には、スケジューラ、RTOS サービス、同期、およびメッセージングという 3 つの基本機能があります。

スケジューラ

スケジューラには 3 つの状態があります。1 つ目は、必要に応じて実行状態に切り替えることができる準備完了タスクに適用される実行準備完了状態です。 2 つ目は、タスクの実行時に適用される実行状態です。最後に、ブロック状態は、タスクを実行できず、ブロック状態に送られる場合です。

また、次の 3 種類のスケジューリング手法があります。

プリエンプティブ タスク スケジューリング方式/優先度ベースのスケジューリング

プリエンプティブ スケジューリング手法には、優先度に応じた時間割り当てが含まれます。ここでは、各タスクに固有の優先度レベルを割り当てることができます。

共同スケジューリング

ここでは、各タスクに固定スロットを割り当てることができます。ただし、タスクの実行が完了しない場合、生成されたデータが失われ、次のターンまで待機します。

最後に、カーネルは、タスクの作成、タスクの優先度の変更、タスクの状態の変更、およびタスクの削除を処理します。

RTOS サービス

すべてのオペレーティング システムの心臓部はカーネルです。カーネルは、オペレーティング システムのリソースの管理と割り当てを担当します。ただし、タスクが常に CPU の注意を引くとは限らないため、カーネルはタイム サービス、入出力サービス、割り込み処理サービス、メモリ管理サービス、デバイス管理サービスなどの他のサービスを提供する必要があります。

カーネル図

メッセージングと同期

メッセージング機能は、RTOS がタスク間で他のシステムと通信する方法を提供します。メッセージング サービスには、メールボックス、パイプ、メッセージ キュー、イベント フラグ、およびセマフォが含まれます。

メールボックス、メッセージ キュー、およびパイプはタスク間でメッセージを送信でき、イベント フラグはタスク間のすべてのアクティビティを同期できます。また、セマフォは共有リソースへのアクセスを同期できます。

RTOS (リアルタイム オペレーティング システム) と GPOS (汎用オペレーティング システム) の比較

RTOS と GPOS の基本的な違いは、アプリケーションの性質です (時間が重要かどうか、または単一目的か多目的か)。タイム クリティカルなシステムの良い例は、ATM です。確認ボタンを押した後、ATM からお金を受け取るまで 4 ～ 5 秒待ちます。確認ボタンを押してから 5 分間待ちたいと思う人はいません。

ATM

一方、PC には複数の目的があり、タイム クリティカルではないシステムになっています。 PCでさまざまなアプリケーションを同時に実行できます。さらに、PCやスマートフォンでさえ、何かをする特定の時間はありません.たとえば、ドキュメントの保存には数秒または数分かかる場合があります。ただし、これは実行中のプロセスとタスクの数によって異なります。

スマートフォン

そのため、汎用オペレーティング システムは、Linux、Windows などのタイム クリティカルではないアプリケーションやシステムで機能します。

Linux システム

リアルタイム オペレーティング システムは、UCOS、VxWorks など、迅速で予測可能な応答を必要とするタイム クリティカルなアプリケーションで機能します。

2 つのオペレーティング システムの違いをさらに説明するためのカテゴリを次に示します。

タスク スケジューリング

タスク スケジューリングのカテゴリでは、GPOS は優先度に焦点を当てていません。高スループットを実現する方法でスケジューリングを処理します。一方、RTOS の場合、スケジューリングは常に優先度に重点が置かれます。 GPOS とは異なり、優先度の高いすべてのプロセスは、優先度の低いタスクの前に実行されます。

ウィンドウ

遅延の問題

これは、GPOS を悩ませている 1 つの大きな問題です。ほとんどの GPOS には無制限のディスパッチ待機時間があります。つまり、スケジュールするスレッドが増えるほど、待機時間が増えます。 RTOS には、すべてのスレッドとプロセスのレイテンシが制限されている (スレッドは設定された時間制限内で実行される) などの問題はありません。

経済的およびハードウェア要因

RTOS は、自動販売機や ATM などのスタンドアロン システムやローエンド システムで機能します。さらに、GPOS と比較すると、RTOS は小型で軽量です。さらに、GPOS はワークステーションやパーソナル コンピューターなどの汎用およびハイエンド デバイスで機能します。

ハイエンド デバイス

プリエンプティブル カーネル

優先度の高いプロセスを最初に実行する場合の大きな問題の 1 つは、プリエンプティブル カーネルです。したがって、カーネルがプリエンプティブルでない場合、このカーネルからのリクエストは、実行中の他のすべてのプロセスを即座にオーバーライドします。 RTOS のカーネルはプリエンプティブルですが、GPOS のカーネルはそうではありません。

つまり、GPOS での優先度の高いプロセス実行はカーネル呼び出しを横取りできませんが、RTOS の優先度の高いプロセスは、必要に応じて優先度の低いタスクを常に横取りし、カーネル呼び出しの外部のタスクを外部として扱います。

RTOS vs GPOS– 組み込み製品開発のための RTOS の評価と選択

組み込みシステムのすべての要件に適合する組み込み RTOS を評価する前に、見込みのある RTOS がいくつかの重要な機能をサポートしていることを確認してください。

作業を簡単にするために、これらの重要な機能の概要を次に示します。

RTOS vs GPOS– スケジューラー

オペレーティング システムのスケジューラは、OS が各タスクを実行する時間を決定する役割を果たします。スケジューラは、利用可能なリソースと優先度に応じて、タスクを一時停止および再開できます。したがって、組み込み RTOS には組み込みスケジューラが必要です。これにより、RTOS がタスクをリアルタイムで実行できるようになります。

ソフトウェア タイマー

名前が示すように、ソフトウェア タイマーは、指定された時間枠内で機能を実行できるようにします。 RTOS 用のソフトウェア タイマーを手動で作成するのは簡単ではなく、お勧めできません。そのため、ソフトウェア タイマーが組み込まれた RTOS を選択するようにしてください。

RTOS vs GPOS– キューイング メカニズム

キューにより、タスクは情報を交換できます。キューイング メカニズムが組み込まれた RTOS により、タスク間のメッセージ交換が可能になります。

E実行トレース ツール

トレース ツールを使用すると、リアルタイム システムのリアルタイムの動作を簡単に観察できます。したがって、開発チームはエラーやタスクの実行を追跡して検出できます。

RTOS と GPOS – 低メモリ フットプリント

RTOS を MCU プラットフォームに統合する必要があるため、予想される RTOS はメモリ フットプリントが小さい必要があります。これは、合計サイズが MCU の合計サイズの 10% を超えてはならないことを意味します。

RTOS アーキテクチャ

まとめ

簡単に言えば、RTOS と GPOS はどちらも、それらのために作成されたアプリケーションでうまく機能します。 RTOP は GPOS よりもスループットが低い可能性がありますが、スループットが低いという意味ではありません。

GPOS が多くの負荷の高いプロセスを処理するのに対し、RTOP はシステムの負荷に比べてスループットが低いタスクを処理します。

ただし、RTOS の主な関心事は、高いスループットではなく、より予測可能な実行パターンとタイムリーな実行を実現することです。ただし、GPOS の場合は逆です。以上で、GPOS と RTOS に関するすべてをまとめました。ご意見やご質問がございましたら、お気軽にお問い合わせください。喜んでお手伝いいたします。