Sistema operativo real-time

Un sistema operativo real-time o in tempo reale (abbreviato in RTOS) è un sistema operativo specializzato per il supporto di applicazioni su sistemi real-time. Questi sistemi vengono utilizzati tipicamente in ambito industriale (controllo di processo, pilotaggio di robot, trasferimento dati nelle telecomunicazioni) o comunque dove sia necessario ottenere una risposta dal sistema entro un tempo prefissato.

Un sistema operativo real-time non deve essere necessariamente veloce: non è importante l'intervallo di tempo in cui il sistema operativo/applicativo deve reagire; l'importante è che risponda entro un tempo massimo pre-determinato. In altre parole il sistema deve essere prevedibile o piuttosto deterministico, nel senso che nel sistema si possa conoscere il tempismo reale (nei migliori o peggiori dei casi, termini che vengono dall'inglese best case / worst case) di un determinato processo o elaborazione.

In pratica un sistema real-time deve garantire che una elaborazione (o task) termini entro un dato vincolo temporale o scadenza (detta in gergo deadline). Per garantire questo è richiesto che la schedulazione delle operazioni sia fattibile. Il concetto di fattibilità di schedulazione è alla base della teoria dei sistemi real-time ed è quello che ci permette di dire se un insieme di task sia eseguibile o meno in funzione dei vincoli temporali dati.

Task periodici/aperiodici e hard/soft real-time

I task di un sistema real-time possono essere:

• periodici: quando un task consiste in una sequenza di attività attivate con cadenza regolare
• aperiodici: quando un task consiste in una sequenza di attività attivate ad intervalli irregolari.
• sporadici: quando un task consiste in una sequenza di attività attivate in maniera impredicibile (tipicamente task che corrispondono a richieste di utenti)

I task di tipo periodico sono propri di un sistema di controllo tempo discreto.

Quando si ha a che fare con task di tipo periodico si parla anche di periodo di esecuzione con il quale si intende il lasso di tempo che intercorre tra due esecuzioni di un task periodico. È uso comune far coincidere la deadline con l'inverso del periodo poiché questo è il limite massimo di esecuzione di un task.

I task di un sistema real-time possono però essere:

• soft real-time: un task che non rispetta la sua scadenza (in gergo si dice sfondare la deadline) provoca un danno non irreparabile al sistema. Il superamento della deadline produce un degrado delle prestazioni proporzionale al tempo di superamento della deadline.
• hard real-time: un task che nel caso superi temporalmente la sua deadline provoca un danno irreparabile al sistema.
• "anytime" : sono tasks che elaborano iterativamente gli stessi dati per "raffinarli" sempre di più. I dati elaborati dai tasks anytime rispondono a requisiti di qualità minima e qualità massima. Sono quindi considerati "hard" fino a che i dati non raggiungono la qualità minima, diventano "soft" prima di raggiungere la qualità massima, dopodiché non verranno più eseguiti.

Sostanzialmente questa distinzione si traduce nella diversa quantificazione dei costi di una possibile inesattezza temporale del sistema. Un esempio di task soft real-time può essere un riproduttore DVD, in cui il mancato rispetto dei vincoli si traduce in un degrado della qualità del filmato, ma non pregiudica il proseguimento della riproduzione; mentre un task hard real-time può essere il controllore della temperatura del nocciolo di una centrale nucleare, dove il mancato rispetto dei vincoli temporali può provocare un evidente disastro.

Caratteristiche di un sistema real-time

Un sistema real-time dovrebbe possedere le seguenti caratteristiche:

• Schedulazione ottima: tutti i task sono noti a priori così come i vincoli temporali, dovrebbe essere possibile dunque avere uno schedulatore che implementi una schedulazione che minimizzi al massimo la funzione di costo ${\displaystyle K_{S}}$ presentata prima.
• Condivisione delle risorse: i task sono entità separate ma che concorrono ad uno stesso scopo, pertanto non è necessario avere spazi di indirizzamento separati.
• Garanzia di esecuzione: tutti i task di tipo hard real-time devono terminare entro le proprie deadline quindi, nel caso in cui arrivi un nuovo task o un task non possa completare entro la deadline, una notifica anticipata del sistema può essere utilizzata per impedire l'esecuzione del nuovo task o di recuperare l'esecuzione del task che sta per sfondare.
• Prevedibilità delle chiamate di sistema: il sistema deve essere in grado di valutare i tempi di calcolo di ogni task per determinare la schedulazione fattibile, quindi ogni chiamata di sistema deve avere un tempo di esecuzione massimo ben definito in modo da non introdurre ritardi indefiniti.

Scheduling di sistemi Real Time

Gli algoritmi di scheduling più utilizzati per i sistemi real time sono essenzialmente tre:

• EDD (Earliest Due Date)
• EDF (Earliest Deadline First)
• RM (Rate Monotonic)

L'EDD ha le seguenti caratteristiche

• Tutti i task arrivano simultaneamente
• La priorità è statica
• Non necessita di prelazione
• Minimizza la latenza.

L'EDF ha le seguenti caratteristiche:

• I task possono arrivare in un qualsiasi istante.
• Priorità dinamica in base alla scadenza imminente.
• Utilizza la capacità dei task di fare prelazione su altri.
• Minimizza la latenza.

RM è utilizzabile solo per task periodici, ha le seguenti caratteristiche:

• Ai task viene assegnata una priorità statica proporzionale alla frequenza di arrivo.
• Un gruppo di task è schedulabile se conosciuta la funzione di utilizzazione U è U_lub<U<1

La funzione U esprime il tasso di utilizzazione del processore, la funzione risulta limitata superiormente ed è SupU=1,indicato con U_lub fattore di utilizzazione minimo. Diremo che una funzione è certamente schedulabile con Rate Monotonic se U<U_lub, risulta invece non schedulabile se U>1. Se U_lub<U<1 non abbiamo certezza sulla schedulabilità. L'algoritmo EDF in alcune circostanze risulta migliore di RM perché garantisce la schedulabilità semplicemente per U<1

I fattori che minano la prevedibilità

I prodotti delle famiglie Windows e Unix non soddisfano le caratteristiche tipiche di un sistema real-time: ad esempio, pur gestendo l'esecuzione di più processi con pre-rilascio, non è possibile prevedere in alcun modo quale sarà il tempo di esecuzione di un singolo processo. Inoltre l'utilizzo di hard disk per la conservazione dei dati, dispositivi USB o altri dispositivi che introducono forti latenze di esecuzione da parte della CPU, rende impossibile stabilire con certezza quanto tempo sarà necessario per reperire l'informazione utile alla corretta esecuzione del codice.

Ci sono diversi fattori che causano la non prevedibilità nella risposta del sistema operativo. Tra di essi, i principali sono i seguenti:

• Il DMA: può limitare o bloccare il bus dalla CPU, ritardando l'esecuzione di un task critico. In un sistema real-time si preferisce quindi disattivarlo o usarlo in modalità timeslice dove si assegna in maniera costante e fissa il bus al DMA anche se non ci sono operazioni da fare.
• La cache: può causare non prevedibilità poiché esistono casi in cui essa fallisce e può causare ritardi nell'accesso alla memoria da parte della CPU. Dovendo considerare quindi il caso peggiore si preferisce non usarla affatto.
• Meccanismi di gestione della memoria: queste tecniche non devono introdurre ritardi non prevedibili durante l'esecuzione di task critici, ad esempio la paginazione può causare dei page fault intollerabili per un sistema hard real-time. Tipicamente si usa la segmentazione o la partizione statica della memoria.
• Le interruzioni: sono generate da dispositivi periferici quando hanno qualche informazione da scambiare con la CPU. Queste interruzioni durante l'esecuzione di un task critico generano ritardi non prevedibili e quindi si preferisce disattivarle.
• I sistemi di power management: sono meccanismi hardware che possono rallentare la CPU o far eseguire ad essa del codice utile a dissipare minor energia. È chiaro che in un sistema real-time è importante rispettare una deadline piuttosto che consumare poca energia, quindi questi meccanismi vengono disattivati.

Scelta del sistema operativo real time

Tra gli RTOS commerciali troviamo il POSIX-conformant (ad esempio LynxOS che è Unix compatibile) e non POSIX-conformant come ad esempio VxWorks (che supporta in parte gli standard POSIX). Per quanto riguarda i sistemi Open Source è possibile l'uso di Linux, con opportune precauzioni, o di RTAI/Xenomai.

Problemi del real-time in Linux

• Lo scheduler, che ha come obiettivo l'assegnazione della CPU ai vari processi, non può conoscere i requisiti temporali dei vari processi real-time.
• Anche se si usa la schedulazione FIFO o FIFO Round Robin che tendono ad aumentare la prevedibilità del sistema, non si hanno comunque garanzie sui ritardi introdotti dalle chiamate di sistema e dalle attività del kernel.

Esempi di sistemi operativi RT

Alcuni sistemi operativi in grado di lavorare in real-time su adeguate architetture hardware sono:

Nome	Licenza	Codice Sorgente	Utilizzi	Stato	Piattaforma
Apache Mynewt	Apache 2.0	open source	embedded	attivo	ARM Cortex-M, MIPS32, Microchip PIC32, RISC-V
BeRTOS	Modified GNU GPL	open source	embedded	archiviato	ARM, Cortex-M3, ARM ARM7TDMI, Atmel AVR, PowerPC (emu), x86 (emu), x86-64 (emu)
ChibiOS/RT	GPL o commerciale	open source	embedded	attivo	x86, ARM7, ARM9, Cortex-M0-M3-M4, PowerPC e200z, STM8, STM32, AVR, MSP430, ColdFire, H8S
ChorusOS	?	?	?	terminato	SPARC, x86, PowerPC
Contiki	BSD	open source	embedded, WSN	attivo	MSP430, AVR, ARM
Data General RDOS	Proprietaria	?	general purpose	terminato	Data General Nova, Data General Eclipse
Deos	Proprietaria	chiusa	safety critical	attivo	x86, PowerPC, ARM, MIPS
DioneOS	Proprietaria	disponibile con licenza	embedded		MSP430, MSP430x
DNIX	Proprietaria	chiusa	general purpose	terminato	Motorola 68000
GEC DOS	Proprietaria	chiusa	process control	terminato	GEC 4000 series
DSOS	Proprietaria	chiusa	?	terminato	TI-980A minicomputer
DSP/BIOS	Proprietaria	chiusa, disponibile con licenza	general purpose	manutenzione	La maggior parte dei chip Texas Instruments C2800, C5500, C6000 e OMAP DSP cores. Sostituito da TI-RTOS, ma ancora disponibile per il download.
eCos	Modified GNU GPL	open source	embedded	inattivo	ARM-XScale-Cortex-M, CalmRISC, 680x0-ColdFire, fr30, FR-V, H8, IA-32, MIPS, MN10300, OpenRISC, PowerPC, SPARC, SuperH, V8xx
eCosPro	Modified GNU GPL	open source con parti a pagamento		attivo	ARM7-9, Cortex-A5-A9-M3-M4-M7, 680x0-ColdFire, H8-H8S, IA-32, MIPS32, MIPS64, microMIPS, NIOS II, OpenRISC, PowerPC, SPARC, SH4/4A, TILE-Gx, XScale
embOS	Proprietaria	chiusa, adisponibile ai clienti, parti libere per fini non commerciali.	embedded, industrial, IoT, safety critical	attivo	ARM7/9/11, ARM Cortex-A/R/M, AVR, AVR32, C16x, CR16C, ColdFire, H8, HCS12, M16C, M32C, MSP430, NIOS2, PIC18/24/32, R32C, R8C, RISC-V, RL78, RH850, RX100/200/600/700, RZ, SH2A, STM8, ST7, V850, 78K0, 8051
ERIKA Enterprise	GPL e GPL linking exception	open source	embedded		ARM7, ARM Cortex-M, ARM Cortex-A, Hitachi H8, Altera Nios2, Microchip dsPIC (inclusi dsPIC30, dsPIC33 e PIC24), Microchip PIC32, ST Microelectronics ST10, Infineon C167, Infineon Tricore, Freescale PPC e200 (MPC 56xx) (inclusi PPC e200 z0, z6, z7), Freescale S12XS, EnSilica eSi-RISC, AVR, Lattice Mico32, MSP430, Renesas RX200, x86-64
EROS	Modified GNU GPL	open source	experimental research use	dormant	IA-32
FlexOS	Proprietaria	chiusa	general purpose, industrial, POS	terminato	186, 286, 386, V60, V70, 68000
FreeRTOS	MIT	open source	embedded	attivo	ARM, AVR, AVR32, ColdFire, ESP32, HCS12, IA-32, Cortex-M3-M4-M7, Infineon XMC4000, MicroBlaze, MSP430, PIC, PIC32, Renesas H8/S, RISC-V, RX100-200-600-700, 8052, STM32, TriCore, EFM32
Fuchsia			AArch64, x86-64
Keil RTX	Apache 2.0	open source	embedded		Arm Cortex-M
FunkOS	Modified Sleepycat License	open source	embedded		AVR, MSP430, Cortex-M3
HeartOS	Proprietaria	chiusa	safety critical		x86, PowerPC, ARM
Huawei LiteOS	BSD	open source	embedded	terminato	ARM (M0/3/4/7, A7/17/53, ARM9/11), x86, RISC-V
HarmonyOS	Proprietaria	chiusa	embedded	attivo	AArch64, x86-64, RISC-V, LingxiISA
IBM 4680 OS	Proprietaria	chiusa	general purpose, industrial, POS	terminato	286
IBM 4690 OS	Proprietaria			attivo	286, 386
INTEGRITY	Proprietaria		embedded		ARM, XScale, Blackfin, ColdFire, MIPS, PowerPC, x86
INtime	Proprietaria				x86
ITRON	T-License	varia	embedded		ARM, MIPS, x86, Renesas RX100-200-600-700-altri
Kaspersky OS	Proprietaria	open source	safety critical, virtualization		x86, x86_64, ARMV5, ARMV7, ARMV8, MIPS32
KolibriOS	GPL		embeddable		x86
LynxOS	Proprietaria	source available	embedded		Motorola 68010, x86/IA-32, ARM, Freescale PowerPC, PowerPC 970, LEON
Mbed OS	Apache 2.0	open source	embedded		Arm Cortex-M
MenuetOS	GPL	open source	?		IA-32
MERT	Proprietaria	chiusa	OS for long-distance telephone switching systems	inattivo	PDP-11
MicroC/OS-III	Apache 2.0	open source	embedded	attivo	ARM7-9-11/Cortex-M1-3-4-A8/9, AVR, HC11/12/S12, ColdFire, Blackfin, MicroBlaze, NIOS, 8051, x86, Win32, H8S, M16C, M32C, MIPS, 68000, PIC24/dsPIC33/PIC32, MSP430, PowerPC, SH, StarCore, Renesas RX100-200-600-700, RL; STM32, ...
MontaVista Linux	GPL	open source	embedded	?
MP/M	Proprietaria	chiusa	general purpose, industrial	terminato	8080, Z80, 8086
MQX	Proprietaria	sorgente free disponibile	embedded	attivo	Freescale Power, ColdFire, Kinetis Cortex ARM
Multiuser DOS	Proprietaria	chiusa	general-purpose, industrial	terminato	386
Nano-RK	GPL o commerciale	open source	embedded, WSN	terminato	AVR, MSP430
Neutrino	Proprietaria	some source provided	microkernel, embedded, industrial	attivo	ARM, ARM64, MIPS, PPC, SH, x86, x86-64, XScale
Nucleus RTOS	Proprietaria	source provided	embedded		ARM (Cortex-M3-M4-R4-R4F-A8-A9, ARM7-9-11), PowerPC, MIPS32-16e, microMIPS, ColdFire, SuperH
NUT	Proprietaria	open source	embedded, industrial		ARM-M0, ARM-M0+, ARM Cortex-M3, ARM9, ARM Cortex-M7, Cortex-M3
Nut/OS	BSD		embedded, industrial		AVR, AVR32, ARM7, ARM9, Cortex-M3
NuttX	Apache 2.0	open source	embedded		Linux user mode, ARM7-9, Cortex-A5-A8-A9-M0-M3-M4-M7, 8052, Espressif ESP32, Lattice LM32, Renesas MC16C/26/SH-1, RISC-V, Zilog Z16F, Zilog eZ80 Acclaim!, Zilog Z8Encore!, Z80, MIPS PIC32MX, PIC32MZ
OpenComRTOS	Proprietaria	sorgente disponibile	embedded		Freescale PowerPC, Texas Instruments C66xxx DSP, ARM, XMOS, MicroBlaze, LEON, NXP CoolFlux DSP, Melexis MLX16, Win32, Linux
OS2000	Proprietaria	?	embedded	attivo	MIPS, KOMDIV-32, KOMDIV-64, Intel BSPs (x86)
OS4000	Proprietaria	chiusa	process control	maintenance only	GEC 4000 series
OSE	Proprietaria	disponibile ai clienti	general purpose	attivo	ARM, PowerPC, x86, TI OMAP, ...
OS-9	Proprietaria	disponibile ai clienti	embedded		ARM-strongARM, MIPS, PowerPC, SuperH, x86/Pentium, XSCALE, Motorola 6809, 680x0, SPARC
OSEK	GPL o commerciale	specification			Engine Control Units
Phoenix-RTOS	BSD	open source	embedded	attivo	ARMv7 Cortex-M, ARMv7 Cortex-A, IA-32, RISC V
PikeOS	Proprietaria	disponibile ai clienti	certifiable safety & security, embedded virtualisation		PPC, x86, ARM, MIPS, SPARC-LEON, RISC-V
Protothreads	BSD	open source	general purpose	attivo	Architetture indipendenti
pSOS	Proprietaria	?	?	discontinued	680x0
PX5 RTOS	Proprietaria	royalty-free	embedded	attivo	Embedded MCU e architetture MPU. ARM Cortex-M, Cortex-R, Cortex-A, RISC-V. AMP e configurazioni SMP.
QNX	Proprietaria	?	microkernel, embedded, industrial		attivo
QP	GPL o commerciale	dual	MCU, DSC, DSP SoC		ARM7/9, ARM Cortex-M3-M0, MSP430, TMS320C28x, AVR, AVRXmega, ColdFire, 68HC08, M16C/R8C, H8, 8051, 80251, PIC18, PIC24/dsPIC33, Nios II, PSoC1
REAL/32	Proprietaria	chiusa	general-purpose, industrial		386
Real-time Linux (PREEMPT RT)	GPL	open source	general purpose		x86, x86_64, RISC-V, ARM64 e LoongArch (ARM e POWER nel -rt branch)[1]
REX OS	Proprietaria	chiusa, disponibile con licenza.	embedded	inattivo	ARM
RIOT	GPL	open source		attivo	ARM7, ARM Cortex M, MSP430, AVR, RISC-V, Xtensa
RMX	Proprietaria	chiusa		terminato	Intel 8080, 8086, 80386
RODOS	BSD	sorgente disponibile		attivo	ARMv7 (M3, A8, A9), AVR32, PowerPC 405, SPARC64 Platforms: SmartFusion2, RaspberryPi, STM32 su: Linux, Windows, macOS, FreeRTOS, RTEMS
RSX-11	Proprietaria	?	?	historic	PDP-11
RT-11	Proprietaria	?	general purpose	terminato	PDP-11
RTAI	GPL	open source	general purpose	attivo	x86 (with and without FPU and TSC), x86-64, PowerPC, ARM (StrongARM; ARM7: clps711x-family, Cirrus Logic EP7xxx, CS89712, PXA25x), m68k
RTEMS	BSD		embedded		AArch64, ARM, Blackfin, ColdFire, TI C3x/C4x, H8/300, x86, x86_64, 68k, Microblaze, Milkymist SoC, MIPS, Nios II, PowerPC, SuperH, SPARC, ERC32, LEON, Mongoose-V
RTLinux	GPL		general purpose	inattivo	Vedi Linux
RT-Thread	Apache 2.0	open source	embedded	attivo	ARM, ARM Cortex-M0-M3-R4-M4-M7, IA-32, AVR32, Blackfin, nios, PPC, M16C, MIPS, MicroBlaze, V850, unicore32,
RTXC Quadros	Proprietaria	sorgente disponibile	embedded		ARM - Atmel/Freescale/NXP/ST/TI, Blackfin, 680x0-ColdFire, PowerPC, StarCore, TI-Luminary Stellaris, TI OMAP, XScale
RTX, RTX64	Proprietaria	chiusa	MS Windows extension		x86, x86-64
RX116	?	?	embedded, industrial	terminato	NEC V20, NEC V30, NEC V40, NEC V50
RX616	?	?	safety critical, embedded, industrial		NEC V60, NEC V70
RX-UX832	?	?	embedded, industrial, general-purpose		NEC V60, NEC V70
SafeRTOS	Proprietaria	codice sorgente & Design Assurance Pack disponibili	embedded, safety critical	attivo	Vedi FreeRTOS
SHaRK	GPL	open source	?	inattivo	?
Simulink Real-Time	Proprietaria	chiusa	real-time testing-embedded	attivo	x86
SINTRAN III	Proprietaria	?	?	?	Norsk Data
Symbian OS	Eclipse	open source	embedded	terminato	ARM
T-Kernel	T-License	sorgente disponibile	embedded RTOS	attivo	ARM, MIPS, SH, altri
THEOS	Proprietaria	?	?	?	?
ThreadX	MIT	open source	embedded, IoT, safety critical	attivo	ARC, ARM/Thumb, AVR32, BlackFin, 680x0-ColdFire, H8-300H, Luminary Micro Stellaris, M-CORE, MicroBlaze, PIC24-dsPIC, PIC32, MIPS, V8xx, Nios II, PowerPC, Renesas RX100, RX200, RX600, RX700, Synergy, SH, SHARC, StarCore, STM32, StrongARM, TMS320C54x, TMS320C6x, x86/x386, XScale, Xtensa/Diamond, ZSP
TI-RTOS Kernel (SYS/BIOS)	BSD	open source	embedded		Texas Instruments: MSP430-432, C2000-5000-6000, TI ARM (Cortex M3-4F-R4-A8-A15), SimpleLink Wireless CC2xxx-CC3xxx
TizenRT	Apache 2.0	open source	embedded	attivo
Transaction Processing Facility	Proprietaria	mista	general purpose	attivo	IBM Z
TRON project	Libera	mista	mixed	attivo
UNIX-RTR	?	?	?	terminato	PDP-11
UNOS	?	?	?	historic	680x0
μITRON	T-License	open source	embedded	attivo	ARM, MIPS, x86, Renesas RX100-200-600-700-altri
μ-velOSity	Proprietaria	?	microkernel	attivo	?
velOSity	Proprietaria	?	?		Power ISA, ARM/XScale, MIPS, x86/Pentium, ColdFire, Blackfin, OMAP, DaVinci
VAXELN	Proprietaria	closed source	?	historic	VAX
VRTX	Proprietaria	?	?	superseded by Nucleus RTOS	ARM, MIPS, PowerPC, RISC
VxWorks	Proprietaria	?	embedded	attivo	ARM, IA-32, Intel 64, MIPS, PowerPC, SH-4, StrongARM, xScale
Windows CE	Proprietaria	Microsoft Shared Source			x86, MIPS, ARM, SuperH
Windows 10 IoT	Proprietaria	?			Intel Atom, Celeron, Pentium; Qualcomm Snapdragon, Broadcom, NXP i.MX
Xenomai	GPL	open source	general		x86, x86-64, PowerPC, ARM, Analog Devices Blackfin BF52x, BF53x, BF54x e BF56x
XINU	Libera		embedded	attivo	x86, MIPS, ARM, AVR
XMK	BSD	open source	embedded	inattivo
Zephyr	Apache 2.0	open source	embedded	attivo	ARM (Cortex-M0, -M3, -M4, -M23, -M33, -R4, -R5, -A53), x86, ARC, RISC-V, Nios II, Xtensa, SPARC