Hệ điều hành thời gian thực (RTOS) là gì và làm thế nào nó hoạt động?

khi chúng ta nghe đến thuật ngữ "Hệ điều hành," những hệ điều hành mà chúng ta thường trải nghiệm/sử dụng hàng ngày đầu tiên xuất hiện trong tâm trí, ví dụ như Windows XP, Linux, Ubuntu, Windows 7 cho hệ thống máy tính, Android cho điện thoại di động và nhiều hệ điều hành khác. Chúng ta chủ yếu biết rằng hệ điều hành là để máy tính. Thực tế, hầu hết các thiết bị điện tử kỹ thuật số chạy một số loại hệ điều hành bên trong. Cũng có nhiều hệ điều hành được phát triển cho các bộ điều khiển. Nhưng ở đây, nó được biết đến với tên gọi HỆ ĐIỀU HÀNH THỜI GIAN THỰC. Thuật ngữ 'THỜI GIAN THỰC' chỉ đơn giản là chỉ sự phản ứng nhanh chóng của hệ điều hành. Bộ điều khiển không có nhiều không gian cho mã. Do đó, hệ điều hành có ít cơ hội để tiến xa. Chúng cố gắng cung cấp ít nhất là phạm vi tối thiểu của việc giao tiếp, lên lịch và giám sát nhiều nhiệm vụ cho các hệ thống nhỏ.

Thường thì, Hệ điều hành thời gian thực là một phần hoặc một đoạn của toàn bộ chương trình quyết định nhiệm vụ tiếp theo, ưu tiên nhiệm vụ, xử lý các thông điệp nhiệm vụ và điều phối tất cả các nhiệm vụ. Một hệ điều hành thời gian thực là một khái niệm phức tạp. Tôi muốn thảo luận về khái niệm Máy trạng thái. Dưới đây là một cách triển khai của những gì bạn có thể vui vẻ gọi là máy trạng thái
while(1)
switch(state)
{ case 1: //Code for Task 1;
state= 2;
case 2: //Code for Task 2;
state= 3;
case 3: //Code for Task 3;
state= 4;
case 4: //Code for Task 4;
state=1;
}

Như bạn có thể thấy từ mã nguồn, có một quy định cho việc thay đổi chuỗi thực thi. Và nó có thể được sửa đổi và trở nên phức tạp hơn. Người lập trình có thể điều chỉnh và đặt các câu lệnh ra quyết định (như if, if-else, switch-case) để chuyển đổi nhiệm vụ. Và luồng thực thi có thể được xác định logic.

Hệ điều hành thời gian thực (RTOS) xử lý một số nhiệm vụ hoặc quy trình cần chạy. Nhân của hệ điều hành gán sự chú ý CPU cho một nhiệm vụ cụ thể trong một khoảng thời gian. Nó cũng kiểm tra ưu tiên của nhiệm vụ, sắp xếp các thông điệp từ các nhiệm vụ và lên lịch.

Các chức năng cơ bản của một RTOS bao gồm:

Bộ lập lịch (Scheduler)

Dịch vụ RTOS

Đồng bộ hóa và truyền thông

Bộ lập lịch

Các nhiệm vụ có thể có ba trạng thái.

Sẵn sàng chạy: Khi nhiệm vụ có tất cả các tài nguyên để chạy, nhưng không ở trạng thái chạy. Đây là trạng thái trước khi chạy.
Chạy: Khi một nhiệm vụ đang thực hiện. Được biết đến là trạng thái chạy.
Bị chặn: Khi một nhiệm vụ không có đủ tài nguyên để chạy, nó được chuyển đến trạng thái bị chặn.

Để lên lịch một nhiệm vụ, có ba kỹ thuật được áp dụng.

Lập lịch hợp tác: Trong kịch bản này, một nhiệm vụ chạy cho đến khi nó hoàn thành thực thi của mình.
Lập lịch Round Robin: Mỗi nhiệm vụ được gán một khe thời gian cố định trong kịch bản này. Nhiệm vụ cần hoàn thành thực hiện của mình. Nếu không, nhiệm vụ có thể mất luồng và dữ liệu được tạo ra hoặc nó sẽ phải chờ đợi đến lượt tiếp theo của mình.
Lập lịch ưu tiên (Preemptive Scheduling): Sự sắp xếp này bao gồm việc phân bổ thời gian phụ thuộc vào ưu tiên. Thông thường trong các chương trình, mức ưu tiên 256 thường được sử dụng. Mỗi nhiệm vụ được gán một mức ưu tiên duy nhất. Mặc dù một số hệ thống có thể hỗ trợ nhiều mức ưu tiên hơn và nhiều nhiệm vụ có thể có cùng mức ưu tiên.

Nhân (Kernel) chịu trách nhiệm cho nhiệm vụ và bao gồm các hoạt động sau đây:

Tạo một nhiệm vụ
Xóa một nhiệm vụ
Thay đổi ưu tiên của nhiệm vụ
Thay đổi trạng thái của nhiệm vụ

Dịch vụ RTOS

Trái tim của mọi hệ điều hành được gọi là 'nhân'. Nhiệm vụ được giải phóng khỏi việc giám sát phần cứng. Điều này là trách nhiệm của nhân quản lý và phân bổ tài nguyên. Vì nhiệm vụ không thể có sự chú ý của CPU liên tục, nhân cũng phải cung cấp một số dịch vụ khác. Điều này bao gồm các dịch vụ xử lý ngắt, dịch vụ thời gian, dịch vụ quản lý thiết bị, dịch vụ quản lý bộ nhớ, dịch vụ nhập/xuất.

Truyền thông

Truyền thông cung cấp một phương tiện để giao tiếp với các hệ thống khác và giữa các nhiệm vụ. Các dịch vụ truyền thông bao gồm:

Semaphores: Được sử dụng để đồng bộ hóa quyền truy cập vào tài nguyên được chia sẻ, như các khu vực dữ liệu chung.
Cờ sự kiện: Được sử dụng để đồng bộ hóa các hoạt động giữa các nhiệm vụ.
Hộp thư: Các hộp thư, ống và hàng đợi tin nhắn được sử dụng để gửi tin nhắn giữa các nhiệm vụ.

Tóm lại, Hệ điều hành thời gian thực đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống nhúng, đảm bảo quản lý nhiệm vụ hiệu quả và phản ứng kịp thời."