リアルタイムOS
（RTOS）入門

リアルタイムOS（RTOS）とは、「予測可能性」と「ディターミニズム（決定論性）」という2大特長をもつオペレーティングシステムです。汎用OSとは異なり、RTOS上では常に厳格な時間制約のもとで反復タスクが実行されます。タスクごとに所要時間を予測できる「予測可能性」と、毎回同じ結果を得られるという「ディターミニズム」は表裏一体的な重要な要素となります。

RTOSには、「ソフトリアルタイムシステム」と「ハードリアルタイムシステム」が存在します。ハードリアルタイムのRTOSは、数十ミリ秒以内の予測可能な幅で応答します。 人間の脳の処理速度はおよそ３０ミリ秒と言われています。そこから処理を実行するのに、１００ミリ秒以上を要します。ソフトリアルタイムでは、人間の反射神経と同等の数百ミリ秒以内で応答します。ハードリアルタイムの世界では、モーター、ロボット、航空機などでは最低でも数１０ミリ秒以内、場合によってはマイクロ秒単位の予測可能な幅で応答しなければなりません。

リアルタイムOS（RTOS）の特徴

5つの特徴

• ディターミニズム： 同じ入力であれば何度行っても同じ結果を出力する決定論性です。
• 高パフォーマンス： 高速で応答性に優れており、汎用OSよりはるかに短い時間でアクションを実行します。
• 安全性とセキュリティ： RTOSはロボティクスやフライトコントローラーなど、システム障害が大惨事になりかねないクリティカルシステムで広く採用されています。こうしたシステムの利用者を保護するために、極めて厳格なセキュリティ基準や信頼性の高い安全機能が要求されます。
• 優先度ベースのスケジューリング： 優先度の高いタスクから順番に実行します。つまりRTOSでは常に、最も重要なタスクが最初に実行されます。
• スモールフットプリント： 容量の大きい汎用OSに比べ、RTOSは圧倒的に軽量コンパクトです。たとえば、Windows 10（インストール後の更新を含む）の必要容量は約20ギガバイトですが、VxWorks^®の場合は、その2万分の一（一桁台前半のメガバイト数）です。



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【リアルタイムOS 入門編】
RTOS初心者の方や、改めて情報を整理したい方にも実践的な内容

【リアルタイムOS 応用編】
PythonやRustを組込みソフトウェア開発で使う方法をご紹介

【 リアルタイムOS 達人編】
VxWorksコマンドやファイルを使いこなそう！

組込みシステムとRTOSとの違いと類似点

組込みシステムとは、たとえばロボットアームのマイクロコントローラなど、それ自体よりも大きなマシンに内蔵されたコンピュータを指します。処理時間に余裕のある非クリティカルなシステムは、Linuxなどのオープンソースの汎用OS（GPOS – General Purpose Operating System）を使って開発できます。Linuxは、機能が充実していて柔軟性に優れたOSの代表格です。一方、重要度の高いシステム（セーフティクリティカル/ミッションクリティカルシステム）の場合は、RTOSを使った開発が好まれます。重要度の高いシステムは、開発の成功にRTOSならではの特徴が不可欠なためです。たとえば、製造現場でのロボットアームには予測可能性や信頼性、作業エリアに人が立ち入った際の自動停止機能も必要です。動作にばらつきがあるとリソースの無駄や品質管理上の問題、負傷につながる恐れがあるためです。

RTOSの特長とメリット

RTOSは、スモールフットプリント、高速性、即応性、ディターミニズムをあわせ持つため、タスクを迅速かつ効率的に実行し、常に予測どおりの応答結果を得られます。また、重要度の高いホストデバイスの動作基盤であるため、セキュリティが厳格で、動作不良や障害への耐性も強化されています。さらに、更新版が継続的にリリースされるため、効果的なコード開発を促進する開発者指向のOSであると言えます。

リアルタイムOS開発に影響を与えるもの

RTOS業界は、コンピュータハードウェア業界の動向に大きく影響されます。マルチコアなどの最新技術が普及すると、それに合わせてOSも更新されます。また、OS開発者は人工知能(AI)や機械学習、5Gなどの最新技術の動向にも注視し、新技術から生まれる新たなユースケースにも対応しなければなりません。OSを設計する際は、ハードウェアだけでなく、ソフトウェア開発のトレンドも考慮する必要があります。開発のフィールドや、開発者の資質が大きく変わる中、新たな言語や技術、デプロイ形態をサポートできるよう、OSも進化させていく必要があります。

RTOSのアーキテクチャ

RTOSのアーキテクチャには、「マイクロカーネル」と「モノリシックカーネル」という2つの設計思想があります。各種コンポーネントが独立した空間に分割されているOSはマイクロカーネルシステム、それぞれシステム構造が異なり、単一空間で動作するOSはモノリシックシステムと呼ばれます。

マイクロカーネルシステム

マイクロカーネル型アーキテクチャでは、同じ空間を共有するそれぞれのコンポーネントに独立した「部屋」が割り当てられるため、隣接するコンポーネントを邪魔することなく、個々の部屋を改装できます。しかし、相互通信を行うには、部屋のドアを開けて廊下に行かなければならないため、時間がムダになります。アクションの実行結果は、まずカーネルに戻してから、参照先のコンポーネントに移動させることになります。つまり、操作内容によっては必要以上に時間がかかってしまいます。

モノリシックシステム

モノリシックシステムでは、部屋と部屋の間に「壁」がありません。そのため、互いの部屋を素早く行き来できます。小規模カーネルを実装する代わりに、他のエリアの制御も含めたすべてのサービスを一体的に提供します。操作は基本的にカーネル空間で実行されるため、カーネルに実行結果を何度も戻すことなく、速度とパフォーマンスを向上できます。ただし、一部を変更すると、OS全体に影響が出る可能性もあります。

リアルタイムシステムの例

RTOSは世界各地で無数の製品に搭載されており、VxWorksだけでも20億台以上のデバイスの動作を支えています。自動車エンジンから、宇宙の深部を観測する望遠鏡、ヘリコプター誘導システム、火星探査機にいたるまで様々なシステムに、リアルタイムOSベースの組込みシステムが採用されています。

組込みシステム設計を補完するソリューション

ウインドリバーでは、商用RTOSソリューションの「VxWorks」以外にも組込みシステム向け製品群を取り揃えています。VxWorksは、主に認証取得が必要なプロジェクトやIPを保護すべきプロジェクト、GPL系ライセンスのコード使用不可のプロジェクト、当社IP Servicesによるカスタム対応サポートが必要な案件などに適しています。 また開発環境にサポート対象外のアーキテクチャがある場合は、Wind River Linuxもご利用いただけます。受賞歴をもつグローバルカスタマーサポート部門およびIP Services担当部門が当社製品すべてをバックアップし、お客様のビジネスやプログラムの目標達成を支援します。