RTOS vs GPOS expliqué : quel OS convient à votre projet

À l'ère moderne, nous avons vu beaucoup de solutions logicielles et matérielles qui nécessitent un système d'exploitation. Les systèmes d'exploitation aident ces appareils à fonctionner correctement et à gérer des tonnes de tâches différentes. Cependant, en tant qu'enthousiaste électronique, vous aurez probablement besoin de plus d'informations sur le type de système d'exploitation dont vous avez besoin pour votre projet. Heureusement, nous avons ce qu'il vous faut. Dans cet article, vous trouverez tout sur RTOS vs GPOS, leurs comparaisons et divers types d'applications. Aussi, si vous voulez simplement en savoir plus sur ces systèmes d'exploitation, vous êtes au bon endroit.

Prêt ? Commençons.

Systèmes d'exploitation à usage général (GPOS)

Le GPOS est un système d'exploitation qui peut gérer un grand nombre de processus et terminer une exécution par unité de temps – ce que nous appelons le débit (throughput). Parfois, le GPOS à usage général retarderait l'exécution d'un fil (thread) à haute priorité pour exécuter cinq ou six processus à faible priorité.

Poste de travail informatique

Donc, pour atteindre le débit élevé nécessaire, il servirait cinq tâches à faible priorité plutôt que d'exécuter un processus à haute priorité. En d'autres termes, si plusieurs tâches à faible priorité sont en file d'attente pour exécution, le GPOS permettrait à ces tâches de s'exécuter en premier pour maintenir son débit élevé.

Maintenant, la plupart des systèmes d'exploitation à usage général utilisent une politique d'équité pour acheminer les processus et les threads vers le CPU.

De plus, cette politique permet au GPOS de donner la sortie globale élevée que les applications de bureau et de serveur nécessitent pour fonctionner efficacement.

Mais, il ne peut pas garantir qu'une tâche à haute priorité ou des fils critiques en temps s'exécuteront avant les fils à faible priorité. Ainsi, le système d'exploitation à usage général fonctionne mieux pour les appareils qui effectuent plusieurs tâches en même temps.

Ordinateur personnel (PC)

Système d'exploitation temps réel (RTOS)

D'un autre côté, le RTOS a une conception qui gère les applications critiques en temps avec une haute précision. Pour qu'un système d'exploitation relève de cette catégorie, il doit avoir une période maximale de temps pour chaque opération critique qu'il effectue. En d'autres termes, c'est un système lié au temps.

Un système d'exploitation temps réel est assez complexe. Mais ne vous inquiétez pas, nous allons le décomposer pour vous. Le RTOS a trois fonctionnalités de base qui sont : l'ordonnanceur (scheduler), les services RTOS, la synchronisation et la messagerie.

L'ordonnanceur (Scheduler)

L'ordonnanceur a trois états : le premier est l'état prêt à exécuter (ready to run) qui s'applique à une tâche prête qui peut passer à l'état d'exécution lorsque nécessaire. Le second est l'état d'exécution (running) qui s'applique lorsqu'une tâche s'exécute. Enfin, l'état bloqué (blocked) est lorsque la tâche ne peut pas s'exécuter et est envoyée à un état bloqué.

Aussi, il y a trois types de techniques d'ordonnancement qui sont :

Méthode d'ordonnancement préemptif / Ordonnancement basé sur la priorité (Pre-emptive Task Scheduling Method/Priority-Based Scheduling)

La technique d'ordonnancement préemptif implique une allocation de temps dépendante de la priorité. Ici, vous pouvez assigner un niveau de priorité unique à chaque tâche.

Ordonnancement coopératif (Co-operative Scheduling)

Ici, vous pouvez assigner un créneau fixe à chaque tâche. Cependant, si la tâche ne termine pas son exécution, elle perdrait les données générées et attendrait son prochain tour.

Enfin, le noyau (kernel) s'occupe de la création d'une tâche, du changement de priorité d'une tâche, du changement d'état d'une tâche et de la suppression d'une tâche.

Services RTOS

Au cœur de chaque système d'exploitation se trouve un noyau. Le noyau est responsable de la gestion et de l'allocation des ressources d'un système d'exploitation. Cependant, les tâches ne peuvent pas toujours attirer l'attention du CPU, donc le noyau doit fournir d'autres services comme les services de temps, les services d'entrée-sortie, les services de gestion des interruptions, les services de gestion de mémoire et les services de gestion de périphériques.

Diagramme du noyau

Messagerie et synchronisation

La fonctionnalité de messagerie offre un moyen pour le RTOS de communiquer avec d'autres systèmes entre les tâches. Les services de messagerie incluent les boîtes aux lettres (mailboxes), les tubes (pipes), les files de messages (message queues), les drapeaux d'événements (event flags) et les sémaphores.

Les boîtes aux lettres, les files de messages et les tubes peuvent envoyer des messages entre les tâches tandis que les drapeaux d'événements peuvent synchroniser toutes les activités inter-tâches. Aussi, les sémaphores peuvent synchroniser l'accès aux ressources partagées.

RTOS (Systèmes d'exploitation temps réel) vs GPOS (Systèmes d'exploitation à usage général)

La différence fondamentale entre le RTOS et le GPOS est la nature de l'application (si elle est critique en temps ou non, ou à usage unique ou multiple). Un bon exemple de système critique en temps est un distributeur automatique de billets (DAB). Une personne attendrait 4 ou 5 secondes pour obtenir de l'argent d'un DAB après avoir appuyé sur le bouton de confirmation. Personne n'aimerait attendre cinq minutes après avoir appuyé sur le bouton de confirmation.

DAB

D'un autre côté, les PC ont de multiples usages, ce qui en fait un système qui n'est pas critique en temps. Vous pouvez exécuter diverses applications en même temps avec un PC. De plus, il n'y a pas de moment particulier pour faire quoi que ce soit sur un PC et même un smartphone. Par exemple, l'enregistrement d'un document peut prendre des secondes ou des minutes dans certains cas. Mais cela dépend du nombre de processus et de tâches en cours d'exécution.

Smartphone

Donc, un système d'exploitation à usage général fonctionne pour les applications et systèmes non critiques en temps comme Linux, Windows, etc.

Système Linux

Alors que les systèmes d'exploitation temps réel fonctionnent pour les applications critiques en temps qui nécessitent des réponses rapides et prévisibles – comme UCOS, VxWorks, etc.

Voici des catégories pour expliquer davantage les différences entre les deux systèmes d'exploitation :

Ordonnancement des tâches (Task Scheduling)

Dans la catégorie de l'ordonnancement des tâches, le GPOS ne se concentre pas sur la priorité. Il gère l'ordonnancement d'une manière qui fournit un débit élevé. Alors que dans le cas d'un RTOS, l'ordonnancement est toujours axé sur la priorité. Contrairement au GPOS, tous les processus à haute priorité s'exécutent avant toute tâche à faible priorité.

Windows

Problèmes de latence (Latency Issues)

Voici un problème majeur qui affecte le GPOS. La plupart des GPOS ont une latence de dispatch non bornée (unbounded dispatch latency) – ce qui signifie que plus il y a de threads à ordonnancer, plus les latences s'additionnent. Le RTOS n'a pas de tels problèmes car tous les threads et processus ont des latences bornées (les threads s'exécuteront dans une limite de temps définie).

Facteurs économiques et matériels

Le RTOS fonctionne pour les systèmes autonomes et bas de gamme comme une machine distributrice ou un DAB. De plus, le RTOS est petit et léger comparé à un GPOS. En outre, le GPOS fonctionne pour des usages généraux et des appareils haut de gamme comme les stations de travail ou les ordinateurs personnels.

Appareils haut de gamme

Noyau préemptible (Preemptible Kernel)

Un problème majeur lorsqu'il s'agit de l'exécution prioritaire des processus à haute priorité est un noyau préemptible. Donc, si un noyau n'est pas préemptible, alors une requête de ce noyau remplacerait immédiatement tous les autres processus en cours d'exécution. Alors que le noyau d'un RTOS est préemptible, le noyau d'un GPOS ne l'est pas.

En d'autres termes, l'exécution d'un processus à haute priorité dans un GPOS ne peut pas préempter un appel noyau, tandis que les processus à haute priorité dans un RTOS préempteront toujours une tâche à faible priorité si nécessaire et traiteront les tâches en dehors de l'appel noyau comme des processus externes.

Évaluation et sélection d'un RTOS pour le développement de produits embarqués

Avant d'évaluer un RTOS embarqué qui correspond à toutes les exigences des systèmes embarqués, assurez-vous de vérifier que le RTOS potentiel prend en charge certaines fonctionnalités importantes.

Pour faciliter les choses, voici un aperçu de ces fonctionnalités critiques :

Ordonnanceurs (Schedulers)

Les ordonnanceurs des systèmes d'exploitation gèrent le devoir de décider à quel moment l'OS doit exécuter chaque tâche. Les ordonnanceurs peuvent suspendre et reprendre toute tâche en fonction des ressources disponibles et de la priorité. Ainsi, un RTOS embarqué doit avoir un ordonnanceur intégré. Il permettra au RTOS d'effectuer l'exécution en temps réel des tâches.

Minuteries logicielles (Software Timers)

Comme l'indique le nom, les minuteries logicielles permettent l'exécution de fonctions dans une fenêtre de temps spécifiée. Il n'est pas facile ou conseillé de créer manuellement une minuterie logicielle pour votre RTOS, alors assurez-vous de sélectionner un RTOS avec une minuterie logicielle intégrée.

Mécanisme de file d'attente (Queuing Mechanism)

Les files d'attente permettent aux tâches d'échanger des informations. Un RTOS avec un mécanisme de file d'attente intégré permettra l'échange de messages entre les tâches.

Outils de traçage d'exécution (Execution Trace Tools)

Avec l'outil de traçage, vous pouvez facilement observer le comportement en temps réel des systèmes temps réel. Ainsi, votre équipe de développement peut suivre et détecter toute erreur et l'exécution des tâches.

Faible empreinte mémoire (Low Memory Footprint)

Puisque vous devez intégrer un RTOS dans une plateforme MCU, le RTOS potentiel devrait avoir une faible empreinte mémoire. Cela signifie que la taille totale ne devrait pas dépasser 10 % de la taille totale du MCU.

Architecture RTOS

Conclusion

En résumé, le RTOS et le GPOS fonctionnent bien dans les applications pour lesquelles ils sont conçus. Bien que le RTOS puisse fournir un débit moindre que le GPOS, cela ne signifie pas que son débit est faible.

Alors que le GPOS gère beaucoup de processus lourds, le RTOS gère moins de tâches avec un débit relatif à la charge du système.

Cependant, la préoccupation majeure d'un RTOS est de fournir un modèle d'exécution plus prévisible et une exécution en temps opportun – pas un débit élevé. Bien que l'inverse soit le cas pour le GPOS. Eh bien, cela résume tout sur le GPOS vs RTOS. Si vous avez des commentaires ou des questions, n'hésitez pas à nous contacter. Nous serons heureux de vous aider.