Hệ Thống Thời Gian Thực (Real-Time Systems) là gì?

RTOS là gì?

RTOS (Real-Time Operating System), hay hệ thống thời gian thực, là một hệ điều hành được thiết kế để phục vụ các ứng dụng thời gian thực. Khả năng xử lý dữ liệu đầu vào của RTOS cực kỳ nhanh chóng, gần như không có độ trễ do hạn chế tối đa việc sử dụng bộ đệm.

RTOS là một hệ điều hành nhằm phục vụ các ứng dụng thời gian thực.

Mô tả hoạt động của một hệ thống thời gian thực (RTOS).

Hệ thống thời gian thực được sử dụng trong môi trường đòi hỏi xử lý một lượng lớn sự kiện và tác vụ trong thời gian ngắn và đúng thời hạn. Thời gian xử lý của RTOS thường được tính bằng mili giây hoặc thậm chí micro giây. Điều quan trọng nhất là các quá trình trong RTOS phải hoàn thành trong giới hạn thời gian được chỉ định, nếu không sẽ dẫn đến lỗi hệ thống.

Khác với các hệ điều hành thông thường như Windows, Android, hay iOS, vốn chứa nhiều ứng dụng và tính năng cần thời gian khởi chạy, RTOS được thiết kế cho các nhiệm vụ đặc biệt, tập trung vào việc thực thi tác vụ với độ chính xác về thời gian và khả năng cô lập, xử lý lỗi nhanh chóng.

Cơ Chế Hoạt Động và Phân Loại RTOS

RTOS hoạt động dựa trên hai cơ chế chính: hướng sự kiện (event-driven) và chia sẻ thời gian (time-sharing). Cơ chế hướng sự kiện ưu tiên xử lý các tác vụ dựa trên mức độ quan trọng của chúng, trong khi cơ chế chia sẻ thời gian chuyển đổi giữa các tác vụ dựa trên xung nhịp. Đa số RTOS hiện nay sử dụng thuật toán lập lịch trước (pre-emptive scheduling).

RTOS hoạt động dựa trên hai cơ chế là hướng sự kiện (event-driven) hoặc chia sẻ thời gian (time-sharing).

So sánh hai cơ chế hoạt động chính của RTOS: hướng sự kiện và chia sẻ thời gian.

Hệ thống thời gian thực (RTOS) được phân thành ba loại chính:

• Hard RTOS (Hệ thống thời gian thực cứng): Đảm bảo hoàn thành tác vụ trong khoảng thời gian cố định, không chấp nhận sai sót.
• Soft RTOS (Hệ thống thời gian thực mềm): Cho phép độ linh hoạt về thời gian hoàn thành tác vụ trong một phạm vi nhất định, miễn là đáp ứng được thời hạn cuối cùng.
• Firm RTOS (Hệ thống thời gian thực bền vững): Đặt ra giới hạn thời gian nghiêm ngặt và đảm bảo tác vụ hoàn thành thành công ngay cả khi vượt quá thời hạn, nhưng có thể giảm hiệu suất.

Các Chức Năng Cơ Bản của RTOS

Scheduler (Bộ lập lịch): Mỗi tác vụ trong Scheduler có ba trạng thái:

• Ready to run: Sẵn sàng chạy khi có đủ tài nguyên.
• Running: Đang thực thi.
• Blocked: Bị khóa khi thiếu tài nguyên.

RTOS có chức năng Scheduler (Bộ lập lịch).

Scheduler trong RTOS quản lý trạng thái của các tác vụ.

RTOS Services (Dịch vụ thời gian thực): Bao gồm:

• Xử lý ngắt (Interrupt handling).
• Dịch vụ thời gian (Time services).
• Quản lý thiết bị (Device management).
• Quản lý bộ nhớ (Memory management).
• Quản lý kết nối (IO services).

RTOS Services (Dịch vụ thời gian thực) với nhiều dịch vụ.

Các dịch vụ cốt lõi của một hệ điều hành thời gian thực (RTOS).

Messaging (Thông điệp): Cho phép các tác vụ trao đổi thông tin:

• Semaphores: Đồng bộ hóa truy cập tài nguyên dùng chung.
• Event flags: Đồng bộ hóa hoạt động của nhiều tác vụ.
• Mailboxes, Pipes, Message queues: Quản lý thông điệp giữa các tác vụ.

Ưu Điểm của RTOS

Ưu điểm đầu tiên của RTOS đó chính là tốc độ xử lý rất nhanh chóng với độ trễ thấp nhất có thể.

Tốc độ xử lý nhanh chóng là một ưu điểm nổi bật của RTOS.

RTOS sở hữu nhiều ưu điểm:

• Tốc độ xử lý nhanh, độ trễ thấp.
• Độ ổn định và tin cậy cao, hoạt động liên tục trong thời gian dài.
• Hiệu suất tốt, tiêu thụ ít bộ nhớ.
• Dễ dàng phát hiện lỗi.
• Kích thước nhỏ gọn, chi phí thấp.

Ứng Dụng của RTOS

RTOS được ứng dụng rộng rãi trong:

• Hệ thống kiểm soát giao thông hàng không.
• Hệ thống kiểm soát chỉ huy.
• Hệ thống đặt chỗ của hãng hàng không.
• Máy đo nhịp tim.
• Hệ thống đa phương tiện mạng.
• Robot.
• Thiết bị vi điều khiển.
• Thiết bị chăm sóc sức khỏe IoT.

RTOS được ứng dụng trong hệ thống kiểm soát giao thông hàng không.

Ứng dụng RTOS trong hệ thống kiểm soát giao thông hàng không, đòi hỏi độ chính xác và tin cậy cao.