So sánh giữa Hệ điều hành tổng quát (GPOS) và Hệ điều hành thời gian thực (RTOS) cho hệ thống nhúng

So sánh giữa Hệ điều hành tổng quát (GPOS) và Hệ điều hành thời gian thực (RTOS) cho hệ thống nhúng

 Sự Khác Biệt Giữa Hệ Điều Hành Đa Nhiệm và Thời Gian Thực (GPOS và RTOS)

Khám phá sự khác biệt cơ bản giữa Hệ điều hành có mục đích chung (GPOS) và Hệ điều hành thời gian thực (RTOS). Chúng ta sẽ tìm hiểu về những đặc điểm quan trọng giữa "Hệ điều hành Thông thường" (GPOS) và RTOS, với tập trung đặc biệt vào ứng dụng thời gian thực. Thám hiểm các khía cạnh như lập lịch công việc, quản lý tài nguyên, khả năng đa nhiệm, kích thước mã và cam kết về thời gian phản hồi.

Sự Khác Biệt Cơ Bản

Sự khác biệt cơ bản giữa việc sử dụng Hệ điều hành Đa nhiệm (GPOS) và Hệ điều hành Thời gian thực (RTOS) nằm ở bản chất của hệ thống - cụ thể là hệ thống có "yêu cầu thời gian" hay không. Hệ thống có thể phục vụ một mục đích cụ thể hoặc nhiều mục đích. Một ví dụ về "hệ thống yêu cầu thời gian" là Máy rút tiền tự động (ATM). Trong trường hợp này, người dùng thẻ ATM mong muốn nhận tiền trong vòng 4 hoặc 5 giây từ lúc họ nhấn nút xác nhận. Việc này quan trọng vì người dùng không muốn chờ đợi lâu tại ATM sau khi xác nhận giao dịch. Ngược lại, Máy tính cá nhân (PC) không yêu cầu thời gian cụ thể. PC phục vụ nhiều mục đích, cho phép người dùng chạy nhiều ứng dụng cùng một lúc. Ví dụ, sau khi nhấn nút LƯU trên một tài liệu đã hoàn thành, không có thời gian cụ thể mà tài liệu phải được lưu trong vòng 5 giây. Điều này có thể mất vài phút (trong một số trường hợp) tùy thuộc vào số lượng công việc và quy trình đang chạy song song.

Theo đó, GPOS như Windows, Linux, hoặc Unix được sử dụng cho các hệ thống hoặc ứng dụng không yêu cầu thời gian cụ thể. Ngược lại, RTOS, ví dụ như VxWorks, uCos, vv., được sử dụng cho các hệ thống yêu cầu thời gian, đảm bảo phản ứng nhanh chóng và dự đoán được. Đối với chi tiết hơn về các khái niệm cơ bản của RTOS, bạn có thể đọc một bài viết thú vị về "Hệ điều hành Thời gian thực". Mục tiêu chính của RTOS là cung cấp phản ứng nhanh chóng và đáng tin cậy.

Lập Lịch Công Việc

Hãy xem xét về lập lịch công việc, bắt đầu với trường hợp của Hệ điều hành Đa nhiệm (GPOS). Trong một GPOS, lập lịch công việc không phải luôn dựa trên "ưu tiên." Thay vào đó, logic lập lịch được thiết kế để tối ưu hóa hiệu suất thông lượng cao. Ở đây, thông lượng cao ám chỉ tổng số quy trình hoàn thành thực thi của chúng trong một khoảng thời gian nhất định. Trong trường hợp này, đôi khi thực thi của một quy trình có ưu tiên cao có thể bị trì hoãn để phục vụ hoàn thành của 5 hoặc 6 nhiệm vụ có ưu tiên thấp. Việc ưu tiên thực thi của nhiều nhiệm vụ có ưu tiên thấp được ưa chuộng để đạt được thông lượng tổng cộng cao hơn so với việc phục vụ một nhiệm vụ có ưu tiên cao duy nhất.

Ngược lại, Hệ điều hành Thời gian thực (RTOS) luôn áp dụng lập lịch dựa trên ưu tiên. Hầu hết các hệ thống RTOS sử dụng các phương pháp lập lịch công việc có chức năng chạy trước dựa trên các mức ưu tiên. Trong tình huống này, một quy trình có ưu tiên cao được thực thi hơn so với các quy trình có ưu tiên thấp. Thực thi của các quy trình có ưu tiên thấp sẽ tạm thời tạm dừng để chờ thực thi của một quy trình có ưu tiên cao. Chỉ khi có yêu cầu từ một quy trình có ưu tiên cao hơn mới có thể ghi đè thực thi của một quy trình có ưu tiên cao.

Sự khác biệt này trong chiến lược lập lịch làm nổi bật sự tập trung vào thông lượng cao trong GPOS và phương pháp tiếp cận ưu tiên nghiêm ngặt trong RTOS, nơi đáp ứng các ràng buộc thời gian cụ thể là quan trọng. Hiểu rõ những khác biệt này là quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất hệ thống dựa trên mục đích sử dụng và yêu cầu của hệ điều hành.

Yếu Tố Phần Cứng và Kinh Tế

Một Hệ điều hành Thời gian thực (RTOS) thường được thiết kế cho các thiết bị độc lập có cấu hình thấp như máy rút tiền tự động (ATM), máy bán hàng tự động và các kiosk khác. RTOS được đặc trưng bởi thiết kế nhẹ và kích thước nhỏ so với Hệ điều hành Đa nhiệm (GPOS). Ngược lại, GPOS được tinh chỉnh cho các hệ thống đa nhiệm, đa mục đích với đặc điểm như máy tính cá nhân, máy trạm và hệ thống máy chủ.

Sự chênh lệch cơ bản giữa các hệ thống cấu hình thấp và cấu hình cao nằm ở cấu hình phần cứng của chúng. Trong thời đại hiện nay, máy tính cá nhân và điện thoại thông minh được trang bị bộ xử lý tốc độ cao (đo lường bằng gigahertz) và dung lượng RAM lớn (từ 2 hoặc 3 gigabyte trở lên). Ngược lại, hệ thống nhúng thường hoạt động trên cấu hình phần cứng thấp hơn, với tốc độ trong khoảng megahertz và dung lượng RAM trong khoảng megabyte. Tính tài nguyên tốn kém của GPOS làm cho nó phù hợp hơn với cấu hình phần cứng cao cấp.

Về mặt kinh tế, việc chuyển đổi RTOS vào một hệ thống nhúng với kỳ vọng và chức năng hạn chế là lựa chọn thực tế. Ví dụ, một máy rút tiền tự động được thiết kế để thực hiện các chức năng cụ thể như chuyển tiền, rút tiền và kiểm tra số dư. Do đó, việc sử dụng RTOS trong phạm vi phần cứng hạn chế của một máy ATM là một giải pháp hợp lý và tiết kiệm chi phí. Ngược lại, việc nâng cấp phần cứng của một máy ATM chỉ để hỗ trợ GPOS cho giao diện người dùng sẽ không kinh tế.

Vấn Đề về Độ Trễ

Một vấn đề lớn khác của Hệ điều hành Đa nhiệm (GPOS) là độ trễ không giới hạn trong việc phân công, điều mà hầu hết các hệ GPOS đều phải đối mặt. Khi số lượng luồng cần lập lịch tăng lên, độ trễ sẽ được cộng dồn! Ngược lại, Hệ điều hành Thời gian thực (RTOS) không gặp vấn đề này vì tất cả các quy trình và luồng trong đó đều có độ trễ có giới hạn - điều này có nghĩa là một quy trình/luồng sẽ được thực thi trong một khoảng thờ