مقدمه ای بر سیستم‌عامل‌های بی‌درنگ

مقدمه

در دنیای در دنیای سیستم‌های توکار (Embedded Systems)، معمولاً با دستگاه‌هایی سروکار داریم که باید به اتفاقات محیطی در زمان دقیق پاسخ دهند.
به عنوان مثال:

• ایربگ خودرو باید در چند میلی‌ثانیه پس از تصادف عمل کند.
• یک بازوی رباتیک صنعتی باید در زمان دقیق از پیش تعیین‌شده حرکت کند.
• سیستم کنترل پرواز نباید هیچ‌گاه در پاسخ به سنسورها تأخیر غیرقابل پیش‌بینی داشته باشد.

به چنین سیستم‌هایی که درستی عملکردشان علاوه بر منطق، به زمان پاسخ هم وابسته است،می‌گویند: سیستم بی‌درنگ (Real-Time System).

تعریف سیستم‌عامل بی‌درنگ (RTOS)

 RTOS (Real-Time Operating System) نوعی سیستم‌عامل است که برای اجرای هم‌زمان چندین فعالیت با زمان‌بندی دقیق طراحی شده است.هدف اصلی آن تضمین این است که وظایف حیاتی در بازه‌ی زمانی مشخص اجرا شوند. در یک RTOS، هر وظیفه (Task) معمولاً دارای زمان اجرا، اولویت و مهلت مشخص است که توسط Scheduler مدیریت می‌شود تا هیچ‌کدام از کارهای حیاتی از زمان تعیین‌شده خود عبور نکنند.
برخلاف سیستم‌عامل‌های معمولی که کارایی کلی یا پاسخ به کاربر را در اولویت قرار می‌دهند، RTOS تمرکز خود را بر قابلیت پیش‌بینی و ثبات زمانی می‌گذارد.
در چنین سیستم‌هایی حتی چند میلی‌ثانیه تأخیر می‌تواند منجر به بروز خطا یا رفتار خطرناک شود، بنابراین RTOS تضمین می‌کند که تسک‌ها دقیقاً در زمان مورد انتظار فعال شوند.
به طور خلاصه، RTOS ابزاری است برای ایجاد کنترل دقیق بر زمان و ترتیب اجرای وظایف در سامانه‌های حساس و واکنشی.

ویژگی	سیستم‌عامل معمولی (مثل ویندوز)	سیستم‌عامل بی‌درنگ (مثل FreeRTOS)
هدف	بیشینه کردن کارایی کل سیستم	تضمین پاسخ در زمان مشخص
زمان پاسخ	متغیر و پیش‌بینی‌ناپذیر	ثابت و قابل پیش‌بینی
نوع برنامه‌ها	کاربرمحور (User Oriented)	رویدادمحور (Event Driven)
اولویت‌بندی وظایف	پویا و کلی	دقیق و قابل کنترل توسط برنامه‌نویس
کاربرد	دسکتاپ، موبایل، سرور	کنترل صنعتی، رباتیک، پزشکی، خودرو

ویژگی‌های اصلی RTOS

Determinism تعیین‌پذیری زمانی

یعنی سیستم بتواند همیشه در زمان مشخصی پاسخ دهد .

مثال: اگر گفته‌ایم یک تسک هر ۵ میلی‌ثانیه اجرا شود، RTOS تضمین می‌کند که دقیقاً همین اتفاق می‌افتد.

به عبارت دیگر، رفتار سیستم باید قابل پیش‌بینی باشد، نه فقط سریع. حتی اگر اجرای تسک‌ها بسیار سریع باشد ولی زمان‌بندی آن‌ها متغیر و غیرقابل کنترل باشد، سیستم را نمی‌توان بی‌درنگ نامید.
در RTOS، این تعیین‌پذیری زمانی با استفاده از Scheduler دقیق، وقفه‌های سیستم (SysTick) و اولویت‌بندی تسک‌ها تضمین می‌شود.
بنابراین، آنچه RTOS را از یک سیستم‌عامل معمولی متمایز می‌کند، نه سرعت اجرای کد، بلکه قابلیت پیش‌بینی دقیق زمان واکنش است.

Multitasking چندوظیفگی واقعی

RTOS  می‌تواند چندین Task را تقریباً به‌طور همزمان اجرا کند.
در واقع پردازنده بین وظایف به سرعت سوئیچ (Context Switch) می‌کند. در هر لحظه فقط یک Task در حال اجرا روی CPU است، اما با تعویض سریع زمینه (Context Switching) بین وظایف، به نظر می‌رسد چندین کار به‌صورت همزمان در حال انجام هستند.
هر بار که RTOS از یک Task به Task دیگر سوئیچ می‌کند، وضعیت (مقادیر رجیسترها، شمارنده برنامه و پشته) تسک فعلی ذخیره و وضعیت تسک بعدی بازیابی می‌شود.
این فرآیند به‌صورت شفاف برای برنامه‌نویس انجام می‌شود و باعث می‌شود سیستم بتواند به رویدادهای مختلف در زمان مناسب واکنش نشان دهد.
به کمک این قابلیت، می‌توان سیستم‌هایی طراحی کرد که به طور همزمان ورودی سنسورها را بخوانند، داده‌ها را پردازش کنند و خروجی‌ها را کنترل نمایند بدون اینکه هیچ‌کدام متوقف شوند.

Priority Scheduling  زمان‌بندی بر اساس اولویت

هر تسک در RTOS دارای اولویت است. Scheduler همیشه بالاترین اولویت آماده به اجرا را انتخاب می‌کند. اولویت‌ها در RTOS نقش بسیار مهمی در پاسخ‌گویی سیستم دارند، زیرا تعیین می‌کنند کدام تسک باید زودتر از بقیه اجرا شود.
اگر دو تسک هم‌زمان آماده‌ی اجرا باشند، Scheduler همیشه تسکی را انتخاب می‌کند که اولویت بالاتری دارد، حتی اگر تسک دیگری در حال اجرا باشد.
در FreeRTOS می‌توان تعداد نامحدودی سطح اولویت تعریف کرد و این سطوح باید با توجه به اهمیت و حساسیت زمانی هر وظیفه تعیین شوند.
به‌عنوان مثال، تسک خواندن سنسور اضطراری باید اولویت بالاتری نسبت به تسک نمایش اطلاعات روی LCD داشته باشد تا پاسخ سیستم سریع‌تر و قابل اطمینان‌تر باشد.

Preemption پیش‌دستی در اجرا

اگر در حین اجرای یک Task، وظیفه‌ای با اولویت بالاتر آماده شود، RTOS بلافاصله Task فعلی را متوقف و Task جدید را اجرا می‌کند. به این فرآیند در RTOS اصطلاحاً Preemption (پیش‌دستی یا پیش‌گرفتن) گفته می‌شود.
در این حالت، Task با اولویت پایین‌تر به‌صورت خودکار متوقف می‌شود و CPU به Task با اولویت بالاتر اختصاص می‌یابد تا کار حیاتی‌تر سریع‌تر انجام شود.
پس از اتمام اجرای وظیفه‌ی مهم‌تر، Scheduler دوباره به Task قبلی بازمی‌گردد و ادامه‌ی کار را از همان نقطه‌ی توقف ادامه می‌دهد.
این ویژگی باعث می‌شود سیستم بتواند در برابر رویدادهای ناگهانی (مثل وقفه‌ی ورودی سنسور یا خطا) واکنشی فوری و کنترل‌شده داشته باشد و تضمین کند که هیچ عملیات حیاتی با تأخیر انجام نمی‌شود.

Inter-Task Communication  ارتباط بین وظایف

وظایف می‌توانند با یکدیگر از طریق:

• Queue صف پیام
• Semaphore پرچم همگام‌سازی
• Mutex قفل متقابل
• Event Group یا Task Notification
  
  

داده رد و بدل کنند. این سازوکارهای ارتباطی باعث می‌شوند که تسک‌ها بدون نیاز به اشتراک مستقیم حافظه، داده‌ها را به‌صورت ایمن و ساخت‌یافته منتقل کنند.
به عنوان مثال، Queue مانند یک صف منظم عمل می‌کند و داده‌ها را به همان ترتیبی که ارسال شده‌اند تحویل می‌دهد، در حالی که Semaphore معمولاً برای هماهنگی و جلوگیری از تداخل بین تسک‌ها یا وقفه‌ها استفاده می‌شود.
Mutex نیز نوع خاصی از Semaphore است که برای محافظت از منابع مشترک (مثل UART یا حافظه) کاربرد دارد تا دو تسک به‌طور هم‌زمان از آن استفاده نکنند.
در نهایت، Event Group و Task Notification روش‌های سبک‌تر و سریع‌تری برای ارسال سیگنال یا اعلان بین وظایف هستند و در پروژه‌های بزرگ، نقش مهمی در کاهش پیچیدگی ارتباطات داخلی سیستم دارند.

Resource Management  مدیریت منابع

RTOS وظیفه دارد دسترسی به CPU، حافظه و وسایل جانبی را بین وظایف مدیریت کند تا تداخل ایجاد نشود. این مدیریت منابع به‌گونه‌ای انجام می‌شود که هر Task تنها در زمان مجاز خود بتواند از یک منبع استفاده کند و در صورت نیاز سایر وظایف منتظر بمانند.
RTOS معمولاً از مکانیزم‌هایی مانند Semaphore، Mutex و Critical Section برای جلوگیری از استفاده‌ی هم‌زمان چند Task از یک منبع استفاده می‌کند.
همچنین در سیستم‌های پیچیده‌تر، RTOS می‌تواند سیاست‌های خاصی برای تخصیص حافظه و مدیریت مصرف CPU اعمال کند تا کارایی کلی سیستم افزایش یابد.
به این ترتیب، با وجود چندین وظیفه‌ی هم‌زمان، سیستم از بروز خطاهایی مانند Race Condition یا Deadlock جلوگیری می‌کند و عملکردی پایدار و قابل پیش‌بینی ارائه می‌دهد.

تفاوت بین برنامه‌نویسی Bare-metal و RTOS

Bare-metal Programming

در این روش، فقط یک حلقه‌ی اصلی (Super Loop) داریم که همه‌ی وظایف را پشت سر هم اجرا می‌کند.

int main(void)
{
    init();
    while(1)
    {
        readSensor();
        processData();
        updateDisplay();
    }
}

ساده است ولی محدود:

• هیچ اولویتی بین وظایف نیست.
• اگر یک تابع طولانی شود، بقیه کارها تأخیر می‌گیرند.
• مدیریت زمان سخت است.

RTOS Programming

در RTOS، هر کار به عنوان یک Task مستقل تعریف می‌شود و Scheduler آنها را زمان‌بندی می‌کند.

void SensorTask(void *pvParameters) {
    while(1) {
        readSensor();
        vTaskDelay(100);
    }
}

void DisplayTask(void *pvParameters) {
    while(1) {
        updateDisplay();
        vTaskDelay(500);
    }
}

• Schedulerخودش تصمیم می‌گیرد که در هر لحظه کدام Task اجرا شود.
• برنامه تمیزتر، ماژولارتر و قابل نگهداری‌تر است.

اجزای اصلی یک RTOS

جزء	وظیفه
Task	واحد اجرایی مستقل، مشابه thread در سیستم‌عامل‌ها
Scheduler	زمان‌بندی اجرای تسک‌ها براساس اولویت و وضعیت
Queue	ارسال داده بین تسک‌ها
Semaphore	همگام‌سازی بین تسک‌ها یا ISRها
Mutex	جلوگیری از دسترسی هم‌زمان به منبع مشترک
Timer	اجرای خودکار وظایف در فواصل زمانی مشخص
ISR Integration	ارتباط بین وقفه‌ها و وظایف RTOS

انواع سیستم‌های بی‌درنگ

نوع سیستم	توضیح	مثال
Hard Real-Time	اگر مهلت زمانی از دست برود، سیستم شکست خورده است.	ایربگ خودرو، کنترل پرواز
Firm Real-Time	از دست رفتن مهلت گاهی قابل قبول است ولی تأثیر منفی دارد.	استریم صوتی یا تصویری
Soft Real-Time	تأخیر ممکن است رخ دهد ولی فقط باعث افت کیفیت می‌شود.	بازی‌ها، پخش ویدئو

مثال مقایسه‌ای

مثال: کنترل LED و دکمه

در یک برنامه ساده، باید:

• LED هر ۱ ثانیه چشمک بزند.
• با فشردن دکمه، LED فوراً خاموش شود.

در Bare-metal:

• اگر حلقه در delay LED باشد، دکمه دیر پاسخ می‌دهد.

در RTOS:

• یک Task برای LED (با delay)
• یک Task برای دکمه (بدون delay)
• Scheduler تضمین می‌کند که Task دکمه در زمان مناسب اجرا شود.

زمان‌بندی در RTOS (Scheduling Policies)

 Preemptive –1 وظیفه‌ی با اولویت بالاتر همیشه می‌تواند دیگری را متوقف کند.

 Cooperative –2 وظیفه‌ها باید داوطلبانه CPU را آزاد کنند.

 Round-Robin – 3وظیفه‌های با اولویت برابر نوبتی اجرا می‌شوند.

FreeRTOS از مدل Preemptive + Round-Robin پشتیبانی می‌کند.

مزایا و معایب استفاده از RTOS

مزایا:

• چندوظیفگی واقعی
• پاسخ سریع و قابل پیش‌بینی
• برنامه‌نویسی ماژولار و قابل نگهداری
• سادگی در توسعه پروژه‌های بزرگ

معایب:

• پیچیدگی بیشتر در طراحی
• نیاز به حافظه و منابع سخت‌افزاری بیشتر
• زمان خطایابی (Debug) طولانی‌تر در مقایسه با bare-metal

کاربردهای واقعی RTOS  

حوزه	مثال‌ها
خودروسازی	ایربگ، کنترل ABS، ECU
پزشکی	مانیتور علائم حیاتی، پمپ انسولین
رباتیک	کنترل هم‌زمان موتورها و سنسورها
اینترنت اشیا (IoT)	گیت‌وی‌های هوشمند، سنسور نودها
مخابرات	تجهیزات شبکه و مودم‌ها

چه زمانی از RTOS استفاده کنیم؟

استفاده از RTOS مناسب است وقتی که:

• بیش از ۳–۴ وظیفه مستقل دارید.
• نیاز به زمان‌بندی دقیق دارید.
• وقفه‌های زیاد و ارتباط بین وظایف وجود دارد.
• توسعه تیمی یا پروژه بلندمدت است.

نیازی نیست اگر:

• فقط یک حلقه ساده و زمان‌بندی خطی دارید.
• پردازنده منابع محدود و حافظه‌ی بسیار کم دارد.

جمع‌بندی

 در واقع، استفاده از RTOS باعث می‌شود که توسعه‌ی نرم‌افزارهای توکار از حالت «کدهای درهم و وابسته» به سیستمی ماژولار، قابل گسترش و قابل نگهداری تبدیل شود.
این ساختار ما را قادر می‌سازد تا هر بخش از سیستم (مانند ورودی حسگر، پردازش داده و خروجی کنترل) را در قالب Taskهای جدا طراحی و به‌صورت مستقل اشکال‌زدایی کنیم.
از سوی دیگر، RTOS ابزارهایی مانند Queue، Semaphore، Timer و Event Group را در اختیار قرار می‌دهد تا همگام‌سازی و تبادل داده بین این بخش‌ها به‌سادگی انجام گیرد.
با تمرین و درک درست از مفاهیم RTOS، می‌توان پروژه‌هایی ساخت که نه‌تنها سریع اجرا می‌شوند بلکه در برابر خطاهای هم‌زمانی و تغییرات آینده نیز پایدار و انعطاف‌پذیر باقی می‌مانند.
بنابراین، تسلط بر RTOS به‌ویژه FreeRTOS روی STM32، گامی کلیدی در مسیر تبدیل شدن به یک توسعه‌دهنده‌ی حرفه‌ای سیستم‌های نهفته است.

منابع

(Mastering the FreeRTOS Kernel (Richard Barry
Hands-On RTOS with Microcontrollers (Brian Amos)
ST UM1722 – Developing Applications on STM32Cube with RTOS