¿Cómo funciona un sistema operativo en tiempo real (RTOS)?

Por eso, se emplea en aplicaciones donde la precisión temporal es uno de los aspectos más importantes a tener en cuenta. En este artículo, conoceremos con más detalle en qué consiste y cómo funcionan, así como las aplicaciones que tiene hoy en día. 

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¿Qué es un RTOS o sistema operativo en tiempo real?

Un sistema operativo en tiempo real o RTOS es un sistema operativo ligero que se especializa en procesar datos y hacer operaciones en un marco de tiempo que ha sido definido previamente. Su finalidad es poder facilitar y agilizar los trabajos multitarea, así como la integración de estas en los diseños que tienen recursos y un plazo de tiempo limitados. 

Este entorno de trabajo suele darse en los llamados sistemas integrados. Con el avance de la tecnología, está aumentando la integración entre dominios en los equipos, y esto exige que los sistemas que son críticos para la seguridad funcionen mejor entre sí. 

En cuanto al concepto de tiempo real, no se refiere tanto a la velocidad en sí misma. Es decir, que no trabajan de manera simultánea a las acciones que se realizan. Por el contrario, se refiere a que el tiempo de ejecución que se necesita para las tareas sea previsible o se pueda concretar. 

Un RTOS prioriza la predictibilidad y el rendimiento temporal por encima de otros factores. Por esta razón, se está utilizando para aplicaciones que exigen la precisión en el tiempo. Dichas aplicaciones son, entre otras, los dispositivos médicos, la automatización industrial o los sistemas embebidos. En todos estos ámbitos, un retraso podría comprometer el funcionamiento de todo el sistema, ocasionaría retrasos, y podría incluso ser crítico para la seguridad. 

En el ecosistema de Internet de las Cosas (IoT), muchos dispositivos funcionan con recursos muy limitados y requieren respuestas fiables y casi inmediatas. Aquí es donde un RTOS cobra una importancia clave, pues ofrece un entorno ligero y altamente predecible para procesar información y comunicarse con otros dispositivos o la nube. Al garantizar la ejecución de tareas dentro de marcos de tiempo estrictos y facilitar la gestión eficiente de interrupciones y prioridades, los RTOS permiten que los dispositivos IoT reaccionen adecuadamente a eventos críticos.

¿Cuáles son sus características y el funcionamiento de RTOS?

Un RTOS es una plataforma de software que gestiona los recursos de hardware y se asegura de que las tareas del sistema que son críticas se ejecutan en un plazo predefinido. Su funcionamiento consiste en asignar y gestionar prioridades. Es decir, que las tareas que son más urgentes serán las que primero se atiendan, para que puedan completarse de acuerdo con sus restricciones temporales. 

Para esta gestión de tareas, se usa un planificador que es el que organiza y ejecuta los procesos por orden de prioridad y necesidades temporales. Estos utilizan algoritmos específicos; por ejemplo, el Round-Robin o el Earliest Deadline First, que son ágiles y eficientes. También utiliza interrupciones de hardware para responder de manera inmediata a eventos críticos. Siempre con el objetivo de que el sistema pueda seguir funcionando con estabilidad y de que sea de confianza.  

En cuanto a las características que diferencian al RTOS de otros tipos de sistemas operativos son las siguientes:

• Determinismo/previsibilidad

  Significa que las respuestas que un RTOS da a eventos que son críticos deben ocurrir en un plazo de tiempo predecible para eliminar la incertidumbre que está asociada a los sistemas operativos tradicionales.

• Gestión de prioridades

  Las tareas se organizan por nivel de importancia, dando siempre prioridad a las críticas o que necesitan atención inmediata.

• Tiempos de latencia bajos

  La respuesta a las interrupciones en el sistema por cambios en este o por eventos externos deben ser rápidas

• Eficiencia en el consumo de recursos

  Estos sistemas trabajan con recursos que son limitados, de ahí que se usen en sistemas embebidos con memoria y procesamiento que están restringidos.

Un ejemplo de este tipo de sistemas es FreeRTOS, de código abierto y que se emplea para gestionar tareas en dispositivos con recursos limitados, ya que tiene un entorno ligero y eficiente. Es conocido por ser versátil y con soporte para multitud de microcontroladores y arquitecturas.

Gestión de tareas en un RTOS

En el funcionamiento de un RTOS, hay que tener en cuenta el concepto de las tareas y su ejecución. Estas son funciones independientes que se ejecutan en bucles infinitos y que tienen funciones específicas. También se les puede llamar procesos. 

Aquí hay dos términos importantes. El primer es el aislamiento temporal, que significa que las operaciones están aisladas en el tiempo. Y el segundo, el aislamiento espacial, que se refiere a la memoria. Este último utiliza una unidad de protección de memoria o MPU, para restringir áreas y evitar los accesos no autorizados. 

El avance de las tareas pasa por tres fases. La primera es bloqueado, que significa que la tarea está esperando a que un evento se produzca, como la disponibilidad de recursos, entre otras. Después, pasa a listo, porque la tarea ya se puede ejecutar y está esperando a que la CPU está también preparada. Finalmente, en ejecución, que es cuando la tarea ya se ejecuta en la CPU. 

Programadores y algoritmos de planificación

El planificador de RTOS es el que determina qué tarea es la que se va a ejecutar en la CPU. Como dijimos, se usan algoritmos específicos, y que pueden ser preventivos, para permitir que las tareas prioritarias interrumpan a los que no lo son para cumplir con restricciones temporales. Aunque esta garantiza que se cumplirán los plazos, supone una sobrecarga. También cooperativos, en los que las tareas ceden el control de la CPU de manera voluntaria. 

ITC o comunicación entre las tareas

Para la comunicación, las tareas usan objetos seguros como colas de mensajes para enviar datos entre ellas o entre las interrupciones; semáforos, que sincronizan los recursos, y mutexes, que hacen exclusiones mutuas con herencia de prioridades. Y para medir los intervalos de tiempo, se usa una base temporal o tic. Su comportamiento está condicionado por la estructura de computadores, y entran en juego factores como la frecuencia del reloj del procesador y la integración de temporizadores de hardware.

La importancia de mantenerse actualizado 

Por la complejidad de estos sistemas y su entorno, es necesario formarse en profundidad para poder trabajar en este sector. Además, no podemos olvidar que los cambios en estos campos son constantes, e incluso cuando se tienen conocimientos, hay que actualizarlos con frecuencia. Si quieres comenzar a aprender, solo tienes que inscribirte en nuestro máster.