多くの組み込み機器で求められるリアルタイム性とは？

リアルタイム性とは？

組み込みシステムはハードウェアとソフトウェアが一体となって構成されており、その先にはセンサーやモーター、通信回線などが接続されていて、それら全ての動作がタイミングをピッタリ合わせて動作する必要があります。そこで重要なのがリアルタイム性です。リアルタイム性とは、要求される期限までに処理が実行できる性質のことです。例えば、自動車を運転する際にブレーキを踏んで、何も変化しないまま時間が経過すると人間は恐怖を覚えます。これにすぐにブレーキがかかれば、人間は安心を手に入れることが出来ます。このような一連の処理を時間制約の仕様以内に済ませることをリアルタイム性と呼びます。またリアルタイム性を実現する機能を持つOSをRTOS（Real-Time Operating System）と呼びます。RTOSは制約のある処理を実施するための予測性能を持つことから、適切な時間内に適切な処理を完了させられるように組み込まれており、敏速なスケジューリングや中断処理、タスク管理などの機能を備えていることが前提となります。

リアルタイム処理の種類

リアルタイム性は大きく分けて、時間に対して厳密な処理を実施できる「ハードリアルタイム」と、時間の遅延が許容される処理を実施できる「ソフトリアルタイム」の2種類があります。

①ハードリアルタイム

ハードリアルタイムとは、定められた期限内に所定の処理を確実に完了させる処理のことを指します。わかりやすい例の一つにペースメーカーがあります。心臓を動かすタイミングを誤ることや心臓を動かす回数を増減させることは致命的な事故を引き起こす可能性があります。このような用途では、汎用OSの場合は確実な処理が保証されません。RTOSは、時間の制約を考慮した上で組み込まれ、特定のハードウェアやアプリケーションへの最適化を目指し、信頼性の高いシステムの組込みに使用します。

②ソフトリアルタイム

ソフトリアルタイムとは、処理が期限内に完了できなくてもシステムがダウンすることなく、そして処理が間に合わなかったとしてもある程度許容できる処理のことを指します。わかりやすい例の一つにATMがあります。出金のために操作した後にお金が出来るだけ早く出てきた方が快適ですが、ある程度遅くても許容できます。ソフトリアルタイムはこのように期限内に処理が実行されなくても許容できる処理ですが、ソフトリアルタイム処理を用いているシステムの品質が低下したり、機能の効果が低下したりする可能性があります。

RTOSの３つの特徴

RTOSは様々な特徴を持ち、あらゆる業界などの幅広い分野において、高度なリアルタイム処理を実現しています。

①高パフォーマンス

敏速で応答性に秀でており、汎用OSより短時間でアクションを実施できる点がポイントです。リアルタイム処理に最適化されたアーキテクチャにより、アクションが実施されるまでの時間を最小限に抑えられます。複数のタスクを同時に処理することをマルチプログラミングと呼び、この並行動作の環境を作ることができるのが、RTOSの特徴のひとつです。

②優先度によるスケジューリング

リアルタイム性が要求される環境では、優先度が高いタスクがいつ発生するかを予測することは困難です。そこで、優先度の高いタスクが発生したら、それまで実行していたタスクを保留して、優先度の高いタスクを先に処理するようにスケジューリングする機能がRTOS にあります。この機能により、最も優先度が高いタスクをいちばんに処理することが可能となります。

③スモールフットプリント

リアルタイムで処理を実施するためのOSであり、小規模なものでも安定して稼働するように組み込まれています。また、リアルタイムOSは、タスクの幅が限定されるため、使用するメモリなどの資源が小さくてすむメリットがあります。小さなコードサイズにより、ハードウェア資源の節約を促すことから、省電力性も優秀です。

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