Che cos’è un sistema operativo real time?

In generale, un sistema di elaborazione dovrebbe avere le seguenti caratteristiche:

1. Semplice ed economico;
2. Capace di sfruttare al massimo le risorse a disposizione;
3. Capace di massimizzare la velocità di elaborazione (throughput);
4. Essere adeguato alle esigenze di una multiutenza;
5. Essere in grado di rispettare dei vincoli temporali nelle interazioni con il mondo esterno;
6. Essere affidabile (reliability).

Naturalmente il sistema operativo, implementando sulla macchina fisica una macchina virtuale, ha molta responsabilità nel raggiungimento di questi obiettivi.
Vi sono molte situazioni in cui il comportamento temporale di un sistema è fondamentale, ad esempio nell’interazione con il mondo esterno, sede di fenomeni asincroni.

Sistemi operativi in tempo reale: quando il tempo è critico

Nel mondo dei computer, esistono sistemi operativi che non si limitano a gestire le normali attività, come l’esecuzione di programmi o l’apertura di file. Si tratta dei sistemi operativi in tempo reale (RTOS), progettati per garantire risposte immediate a eventi esterni, entro un intervallo di tempo predefinito e inderogabile.

Caratteristiche principali degli RTOS:

• Prevedibilità: la capacità di garantire che un’azione venga completata entro un tempo massimo stabilito. È fondamentale per sistemi che controllano processi industriali o dispositivi medici, dove ritardi anche minimi possono avere gravi conseguenze.
• Determinismo: la certezza del comportamento del sistema in risposta a un evento. In un RTOS, non ci si può aspettare che un’azione inizi o termini in un momento casuale, ma piuttosto che segua un’esecuzione rigorosa e pianificata.
• Efficienza: l’utilizzo ottimale delle risorse hardware per minimizzare i tempi di risposta. Gli RTOS sono tipicamente molto snelli e privi di funzionalità non essenziali, per garantire la massima reattività.

Esempi di applicazioni degli RTOS:

• Controllo industriale: robot industriali, sistemi di automazione, controllo del traffico aereo
• Sistemi embedded: dispositivi medici, droni, automobili
• Telecomunicazioni: reti telefoniche, reti dati, sistemi di navigazione satellitare

Tipologie di RTOS:

• RTOS hard real-time: garantiscono la risposta entro deadline estremamente strette, anche in caso di sovraccarico del sistema. Sono utilizzati in applicazioni critiche per la sicurezza, dove il mancato rispetto di una scadenza può avere conseguenze catastrofiche.
• RTOS soft real-time: meno rigidi rispetto agli RTOS hard real-time, possono tollerare ritardi occasionali senza compromettere il funzionamento del sistema. Sono utilizzati in applicazioni dove la puntualità è importante, ma non è di vitale importanza.

Differenze tra RTOS e sistemi operativi tradizionali:

• Priorità delle attività: negli RTOS, le attività vengono assegnate a diverse priorità in base alla loro importanza temporale. Le attività con priorità più alta vengono eseguite per prime, anche se ciò significa interrompere temporaneamente l’esecuzione di attività con priorità inferiore. Nei sistemi operativi tradizionali, le attività vengono generalmente gestite in modo cooperativo o preemptive, senza una particolare enfasi sul tempo di risposta.
• Gestione della memoria: negli RTOS, la memoria viene allocata in modo deterministico, per evitare ritardi imprevisti durante l’esecuzione delle attività. Nei sistemi operativi tradizionali, la gestione della memoria può essere più flessibile, ma può anche portare a frammentazione della memoria e a ritardi imprevisti.

Conclusione:

I sistemi operativi in tempo reale rappresentano una componente fondamentale in una vasta gamma di applicazioni, dove la puntualità e la prevedibilità sono essenziali. La loro capacità di garantire risposte immediate a eventi esterni li rende indispensabili per il controllo di sistemi critici e per la gestione di dispositivi embedded in tempo reale.