У сферах, де точність і передбачуваність є критично важливими, час має велике значення. Незалежно від того, чи то координування роботизованих рук на виробничому майданчику, підтримка ультранадійної затримки в телекомунікаційних мережах або забезпечення миттєвої реакції автомобільної системи гальмування, успіх цих систем залежить від дотримання суворих часових меж.

Це сфера обчислень в реальному часі, де операційна система (ОС) повинна гарантувати, що критично важливі завдання виконуються точно в зазначений момент, без затримок і невизначеності – і реальний час Linux все частіше стає провідним рішенням у цих сценаріях.

Розглянемо основи операційних систем реального часу та їх важливість у різних галузях, які залежать від абсолютної надійності та миттєвих реакцій. Після цього ми детально розглянемо використання реального часу Linux у промисловості, телекомунікаціях та автомобільній промисловості.

Чи підходить реальний час Linux для промислових випадків?

Здатність виконувати критично важливі завдання з точністю та передбачуваністю є важливою в системах, де дотримання часових обмежень визначає загальний успіх. Реальний час Linux призначений для реагування на події в міру їх виникнення, прагнучи до детермінованих часів відповіді, щоб критичні завдання виконувалися в межах визначених термінів з мінімальним джиттером і затримкою.

Жорстка реальна система (RTOS) створена для задоволення суворих часових вимог вбудованих систем, промислової автоматизації, автомобільного контролю, медичних пристроїв, аерокосмічної техніки та інших сфер, де пропуск терміну вважається збоєм системи. RTOS забезпечують детерміноване планування завдань, тонке управління ресурсами і передбачуване оброблення переривань. Багато RTOS проходять сувору кваліфікацію та сертифікацію, що дозволяє їх впровадження в критично важливих для безпеки навколишніх середовищах з надзвичайно жорсткими часовими рамками та вимогами до надійності.

Однак RTOS зазвичай є спеціалізованими та обмеженими. Їх маленький розмір, статична конфігурація і звужені API роблять їх дуже ефективними для конкретних програм управління, але менш придатними для сценаріїв, які вимагають різноманітних програмних стеків, складного мережевого з’єднання або додатків для користувачів.

З іншого боку, екосистема Linux пропонує багатий набір функцій, зрілу підтримку драйверів, розвинені інструменти відлагодження та широку апаратну сумісність, що знижує час розробки від специфікації до виробництва. Історично, Linux уникався для реальних навантажень через недетерміноване планування та необмежені затримки ядра. Ця ситуація змінилася з появою набору патчів PREEMPT_RT, який систематично зменшує максимальні затримки, роблячи практично весь код ядра преривальною, поліпшуючи відповідь на переривання та реалізуючи пріоритетне планування. З моменту виходу версії ядра Linux 6.12, PREEMPT_RT підтримується як частина основного ядра, оцінюючи останній стабільний реліз 6.12-rt. Хоча Linux з PREEMPT_RT не перетворює Linux на жорстку RTOS, він адаптує загальну ОС для задоволення багатьох м’яких і твердих вимог реального часу. На практиці система реального часу Linux, активована PREEMPT_RT, може досягти затримок, достатніх для широкого спектра промислових, телекомунікаційних та автомобільних застосувань, без обмежень, властивих середовищам RTOS або спеціалізованому обладнанню.

Тепер, коли ми зрозуміли основи, які приклади реальних операційних систем і сфери їх використання в промисловості? Давайте розберемося.

Як використовується реальна ОС у промисловості?

Чи то вимагаючи промислову автоматизацію, чи забезпечуючи ультранизьку затримку в телекомунікаціях, чи дозволяючи критично важливим системам у охороні здоров’я і транспорті, ОС, що підтримують реальний час, є ключовим елементом будь-якої системи апаратного та програмного забезпечення реального часу. Ці ОС створені для того, щоб відповідати строгим вимогам до часу та реакції в різних сферах, таких як енергетика, нафта і газ, виробництво, автомобільна, авіаційна та медична системи. Де б точність, надійність і миттєві рішення не грали важливої ролі, обчислення в реальному часі стають незамінними.

Сучасні навантаження все більше вимагають точного часу. Хоча реальний час використовується в різних галузях по-різному, деякі конкретні приклади включають:

Виробництво

У сучасних умовах виробництва та управління процесами реальні операційні системи все частіше використовуються поруч або всередині промислових ПК (IPC) для виконання завдань, які раніше вимагали спеціального обладнання. Зазвичай IPC використовувалися для не критичних за часом навантажень, таких як інтерфейси людина-машина (HMI), SCADA фронтенди і збір даних, тоді як управління в реальному часі доручалося спеціалізованим програмованим логічним контролерам (PLC) або вбудованим контролерам. Відсутність детермінованого планування в загальних ОС обмежувала роль IPC у безпосередньому управлінні машинами або процесами.

З патчами PREEMPT_RT Linux може досягти обмеженої затримки та детермінованого планування завдань, що дозволяє IPC дотримуватися реальних часових вимог. Це підштовхнуло до переходу на консолидацію навантажень, поєднуючи HMI, аналітику та функції управління на єдиній високопродуктивній платформі IPC. На виробничому майданчику детермінована поведінка та низька затримка є критично важливими. PLC, CNC контролери та системи зору для виявлення дефектів повинні обмінюватися та обробляти дані в межах фіксованих циклів, часто в межах часток мілісекунди, щоб підтримати стабільність системи та якість продукції. Втрата контрольного циклу може зупинити виробничі лінії, пошкодити обладнання або загрожувати безпеці.

Історично промислові мережі управління покладалися на приватні протоколи полів, такі як PROFIBUS і Modbus RTU з ізольованими, спеціалізованими топологіями. Хоча ці системи забезпечували передбачуване виконання, вони обмежували інтероперабельність і ускладнювали інтеграцію даних на вищому рівні. Сучасні розгортання переходять на комутовані мережі Ethernet з протоколами часу, що чутливі до затримок (TSN), які вимагають і детермінованої обробки мережі, і підтримки реального часу.

Реальний час Linux допомагає з’єднати старі закриті системи з сучасними архітектурами, що інтегрують IT. Він дозволяє промисловим системам використовувати програмне забезпечення з відкритим вихідним кодом, використовувати стандартне обладнання, і при цьому дотримуватися суворих часових вимог. Зокрема, Реальний час Ubuntu 22.04 LTS підтримує IEEE 802.1 TSN на процесорах Intel Atom і Core. В основі TSN лежить точна синхронізація часу, що забезпечує спільне уявлення всіх пристроїв у мережі, від датчиків і виконавчих механізмів до контролерів, з точністю до частки мікросекунди. Це дозволяє формувати чутливий до часу трафік, при якому кадри для управління та автоматизації передаються за точною розкладкою, уникаючи джиттеру і гарантуючи доставку в межах обмеженої затримки. TSN також підвищує надійність завдяки механізмам, таким як реплікація кадрів для відмовостійкості, та ізоляції або захисту від ненормальних пристроїв для підтримки цілісності мережі. Крім того, TSN підтримує автоматизовану конфігурацію пристроїв і додатків, часто використовуючи принципи програмно визначеної мережі (SDN), для спрощення деплойменту та переналаштування в складних промислових середовищах.

Телекомунікації

У секторі телекомунікацій ультранизька затримка, передбачуване виконання та безпечне оброблення даних у реальному часі є критичними для якості обслуговування та надійності інфраструктури. Перехід до віртуалізованих архітектур Radio Access Network (vRAN) в 4G та 5G дозволяє операторам декомпонувати апаратуру від функцій мережі, таким чином покращуючи масштабованість, гнучкість та використання ресурсів. Традиційні розгортання RAN, з цією метою використовувані спеціалізоване обладнання для обробки базових комунікацій, пропонують детерміноване виконання, але їм не вистачає гнучкості віртуалізованих рішень. Поєднуючи vRAN з Linux-ядром, яке підтримує реальний час, оператори можуть досягти детермінованого планування та обмежених затримок на комерційно доступному обладнанні, що дозволяє економічно ефективні та продуктивні розгортання.

OpenRAN далі прискорює цю трансформацію, впроваджуючи відкриті інтерфейси та екосистему без прив’язки до постачальника. У віртуалізованих середовищах OpenRAN реальний час Linux забезпечує виконання критичних за часом функцій, таких як обробка базового сигналу та планування фронтальної частини, відповідно до суворих бюджетів затримки, часто на рівні десятків мікросекунд. Ця здатність є ключовою для навантажень 5G, де вікна планування та часи обробки символів надзвичайно вузькі.

Серед альтернатив, доступних операторам телекомунікацій, стек програмного забезпечення Intel FlexRAN є яскравим прикладом цього підходу, надаючи реалізацію vRAN для хмарних технологій, оптимізовану для процесорів Xeon та технологій прискорення.

Запуск FlexRAN на Реальному часі Ubuntu 22.04 LTS забезпечує додаткові вигоди у продуктивності, поєднуючи безперервний Kubernetes та автоматизаційні фреймворки з останнім ядром реального часу, налаштованим спеціально для навантажень телекомунікацій. Ця комбінація дозволяє постачальникам послуг зв’язку модернізувати свої RAN з інструментами з відкритим кодом, одночасно зберігаючи детерміновану продуктивність, необхідну для рішень рівня оператора.

Автомобільна промисловість

Автомобільні системи все більше вимагають як реальної детерміністичної продуктивності, так і гнучкості повнофункціональної операційної системи. Вимоги в реальному часі проявляються в широкому спектрі, від критично важливих контрольних петель у гальмівних та рульових системах до чутливих до затримки комунікацій у Vehicle-to-Everything (V2X) мережах, та координації в управлінні вантажівками або контролю залізничного руху. У таких ситуаціях пропуск терміна вимагає зниження продуктивності або навіть катастрофічних наслідків для безпеки.

Традиційно ці жорсткі вимоги в реальному часі задовольнялися за допомогою спеціалізованих RTOS, які забезпечують мінімальне, детерміноване ядро для електронних контрольних одиниць (ECU). RTOS залишаються правильним вибором для глибоко вбудованих, сертифікованих для безпеки навантажень, де важливі мікросекундні відповіді та детерміноване оброблення переривань, наприклад, у системах гальмування, контролю двигуна або розгортання подушок безпеки.

Проте перехід до програмно визначених автомобілів (SDV) сприяє консолидації функцій на більш продуктивних доменних контролерах, здатних виконувати змішані навантаження. Наприклад, центральний обчислювальний блок може запускає комплекси сприйняття систем підвищення безпеки водія (ADAS), розважальні системи, послуги з’єднання та навіть фрейми оновлень по повітрю разом із критично важливими контрольними застосунками. У таких сценаріях ОС загального призначення, що підтримує реальний час, забезпечує детермінованість для деяких контрольних функцій, забезпечуючи при цьому багатозадачність, контейнеризовані навантаження, розвинені мережеві стеки і стандартні інструменти розробки.

Комбінація реального часу Linux та платформ контейнеризації, таких як Kubernetes, дозволяє виробникам оригінального обладнання та постачальникам Tier 1 оновлювати, розширювати та захищати програмне забезпечення автомобіля протягом його життєвого циклу, що є труднощами у реалізаціях, заснованих лише на традиційних РТОС.

У автомобільному просторі реальний час Linux знаходить застосування в розважальних системах і HMI, інтегруючи мультимедіа, навігацію та голосове управління, не порушуючи детерміновані завдання. На автомобілі реальна ОС може забезпечити злиття сенсорів та прийняття рішень у ECU, які також взаємодіють з хмарними службами для прогнозного обслуговування або оптимізації флоту. Аналогічно, комунікації V2X підтримують IEEE 802.11p або обробку повідомлень 5G C-V2X в межах строгих затримок для уникнення зіткнень або координації трафіку. За межами автомобіля, подальші застосування включають запуск централізованих, заснованих на Linux контролюючих систем з детермінованим плануванням для логіки сигналізації та маршрутизації в контексті управлінь залізничним і дорожнім рухом.

Робота Canonical з автомобільною промисловістю на основі Реального часу Ubuntu пропонує підтримувану на тривалий термін дистрибуцію Linux із налаштованим ядром PREEMPT_RT, що дозволяє виробникам створювати SDV, які поєднують безпеку, продуктивність і інновації на єдиній платформі.

Як почати з реальним часом Linux

З появою PREEMPT_RT в основному ядрі Linux, чи можуть виробники пристроїв отримати його та розгорнути в виробництві? Не так швидко.

При виборі ОС, що підтримує реальний час, професійна підтримка часто недооцінюється. З урахуванням постійних вразливостей і частих експлойтів, розробники повинні бути обережними з ризиками, пов’язаними з використанням виключно проєктів з відкритим кодом, що підтримуються спільнотою. Хоча сканування вразливостей є необхідним, підприємства не можуть повністю покладатися на окремих учасників. Надійні та добре протестовані оновлення безпеки є критично важливими.

Для виробників пристроїв, операторів зв’язку та промислових підприємств підтримка власної ОС, що підтримує реальний час, вимагає значних внутрішніх знань, що ще важче для продуктів з тривалою життєздатністю. Ненадійні оновлення можуть загрожувати стабільності системи, що робить укладення угоди про рівень обслуговування з комерційним постачальником безпечнішим варіантом.

Реальний час Ubuntu, наприклад, пропонує дистрибуцію виробничого класу, підтримувану понад 10 років безпеки та технічної підтримки. Інженерні команди Canonical управляють усіма ядрами та варіантами Ubuntu, застосовуючи та тестуючи критичні патчі для CVEs ядра Linux через суворі процеси. Цей підхід забезпечує високу надійність, поєднуючи ретельний дизайн, висококваліфіковане обслуговування та широкий досвід впровадження.

Хоча було проведено великий обсяг роботи з проектування Реального часу Ubuntu для вдосконалення продуктивності в різних випадках і вертикалях, хороша новина полягає в тому, що ви можете запустити Реальний час Ubuntu на вашій робочій станції всього за кілька кроків.

Додаткові ресурси

Реальний час Ubuntu