Os dispositivos incorporados são a alma da Internet das Coisas. Qualquer rede IoT é inerentemente um meio para conectar “coisas” alimentadas por microcontroladores através da Internet. Os microcontroladores no centro da maioria dos dispositivos IoT são chips mais simples, com recursos limitados e de baixo consumo de energia, que não podem executar um sistema operacional padrão. Os microcontroladores geralmente são atualizados com códigos de firmware mínimos destinados a executar trabalhos específicos. Conectar-se à Internet e comunicar-se com serviços em nuvem em tempo real é um grande negócio para software embarcado. Os sistemas operacionais em tempo real (RTOS) são o negócio para controladores embarcados.
RTOS são sistemas operacionais avançados que permitem que controladores e processadores integrados executem aplicativos incorporados em grande escala de maneira ordenada, de modo que várias tarefas sejam executadas simultaneamente em um único núcleo, ainda satisfazendo prazos em tempo real. Nos ecossistemas IoT, o RTOS permite que os dispositivos se conectem a plataformas de nuvem e dispositivos de borda e troquem dados de forma eficiente em tempo real enquanto executam tarefas integradas multitarefa.
Um RTOS popular é o FreeRTOS. A comunidade incorporada o adota amplamente porque é de código aberto e está disponível gratuitamente. Existem outras derivações gratuitas e licenciadas do FreeRTOS disponíveis também. Uma das melhores coisas do FreeRTOS é que você pode começar a mexer nas placas Arduino ou ESP. Além disso, o FreeRTOS pode ser estendido com bibliotecas adicionais para se adaptar a um aplicativo específico. Este artigo discute o que é FreeRTOS e por que precisamos dele.
Sistema operacional em tempo real (RTOS)
Um sistema operacional em tempo real (RTOS) é um sistema operacional multitarefa para aplicativos de tempo crítico. Um RTOS executa tarefas em restrições de tempo real, onde as tarefas devem ser executadas no intervalo de tempo entre a ocorrência de um evento e a resposta esperada do sistema ao evento. As tarefas RTOS têm latências previsíveis que correspondem estritamente aos prazos esperados.
RTOS são sistemas operacionais em miniatura, normalmente com tamanho inferior a um megabyte. Não sendo um sistema operacional completo, muitas vezes esses pequenos sistemas operacionais podem não ter alguns recursos comuns do sistema operacional, como sistema de arquivos, rede e interfaces de linha de comando. Ainda assim, eles estão bem equipados com gerenciamento de processos, recursos, dispositivos e subsistemas. Um RTOS pode ser orientado a eventos ou de compartilhamento de tempo e permitir apenas alocação de memória estática ou dinâmica de acordo com um algoritmo determinístico do programa aplicativo. A unidade de gerenciamento de memória (MMU) está desativada ou bloqueios de memória são aplicados. Os bloqueios de memória interrompem a troca de páginas entre a memória física e o disco, reduzindo a instabilidade e tornando previsíveis as latências das tarefas.
O escalonador em um RTOS é projetado para um padrão de execução determinístico. Isto é útil em sistemas embarcados onde o dispositivo deve responder a um evento dentro de um prazo estrito. Os threads do programa aplicativo são executados no espaço do kernel que apresenta desempenho. Dessa forma, o programa aplicativo tem acesso aos códigos do kernel, bem como aos dados e ao espaço de memória da pilha, o que pode levar a um kernel desprotegido.
Um programa aplicativo em RTOS é escrito como uma coleção de tarefas independentes; um thread de execução é uma dessas tarefas. Um RTOS fornece gerenciamento de prioridades de processo definidas pelo usuário, com cada tarefa atribuída a uma prioridade. As prioridades no nível do usuário, também chamadas de prioridades em tempo real, são mais altas que as prioridades alocadas dinamicamente para funções do sistema operacional e as prioridades ociosas atribuídas a threads de baixa prioridade. O RTOS antecipa tarefas de prioridade mais baixa quando ocorre uma mensagem ou evento para executar uma tarefa de prioridade mais alta. Para tarefas com igual prioridade, um RTOS depende da divisão do tempo de execução dos processos.
RTOS vs. SO de uso geral
Em um sistema operacional típico, o escalonador é projetado para permanecer responsivo à aplicação atual executada pelo usuário. Em um sistema operacional multiusuário, o escalonador é projetado para garantir tempo de processamento justo e compartilhamento de memória entre vários usuários. No RTOS, as tarefas ou threads de aplicação recebem prioridades, e o escalonador é projetado para concluir primeiro a tarefa de maior prioridade dentro do prazo esperado.
Um RTOS pode ter uma operação em tempo real hard ou soft. É chamado de sistema complexo em tempo real se o RTOS opera para atender a duras restrições de tempo; e, se o RTOS opera tolerando algumas latências, mas de forma previsível, é chamado de sistema suave em tempo real. Equipamentos médicos que salvam vidas são um exemplo de sistema rígido em tempo real. O decodificador Aavideo é um exemplo de sistema soft em tempo real.
Por que usar RTOS?
Sistemas operacionais de tempo real geralmente são necessários para sistemas rígidos de tempo real. O único outro cenário em que um RTOS pode ser empregado é quando um dispositivo embarcado precisa lidar com muitas tarefas multitarefa. A maioria dos sistemas embarcados são projetados para executar uma única tarefa específica realizada apenas com programação bare metal. Porém, muitos aplicativos incorporados exigem a operação simultânea de múltiplas tarefas ou envolvem comunicação entre processos. É aqui que o RTOS é a opção mais viável em comparação com escrever um agendador personalizado e projetar uma rotina entre processos.
Juntamente com o processamento em tempo real e a multitarefa, o RTOS beneficia um aplicativo incorporado de diversas maneiras. RTOS é a melhor maneira de gerenciar uma aplicação complexa ou grande. Ele garante que o sistema embarcado execute tarefas de alta prioridade em restrições em tempo real, para que todas as possibilidades de riscos, falhas e falhas sejam abordadas corretamente. O RTOS permite conseguir isso com um código de aplicação menor e mais simples. Permite dividir o código da aplicação em tarefas independentes com latência previsível. Os sistemas embarcados baseados em RTOS são mais fáceis de manter. Os módulos têm menos interdependências e muitas vezes dependem dos recursos do kernel em vez do hardware subjacente. Dessa forma, alterações de hardware, como processador ou periférico, geralmente não afetam um aplicativo baseado em RTOS.
Como o aplicativo é projetado como um conjunto de tarefas independentes, a maior parte do código é reutilizável. É mais fácil testar sistemas executando RTOS devido a exercícios de teste bem estabelecidos. O teste pode nem exigir interface de hardware.
O que é FreeRTOS?
FreeRTOS é um sistema operacional de código aberto em tempo real projetado para microcontroladores e pequenos microprocessadores. Foi desenvolvido por Richard Barry em 2003 e mantido por sua empresa Real Time Engineers Ltd, até 2017. Em 2017, a administração do projeto FreeRTOS foi assumida pela Amazon Web Services. A derivação Amazon FreeRTOS é uma extensão do kernel original do FreeRTOS e inclui diversas bibliotecas de suporte de IoT. Amazon FreeRTOS é amplamente conhecido simplesmente como “FreeRTOS”.
A maioria dos microcontroladores não requer implementação RTOS completa. O FreeRTOS não é um RTOS completo, mas um agendador em tempo real com pilha TCP/IP incluída. É frequentemente usado como um kernel RTOS para agendamento em tempo real, gerenciamento de comunicação entre processos (IPC) e sincronização de tarefas com IPCs. Não há sistema de arquivos, memória virtual ou modelo de segurança no FreeRTOS. Recursos adicionais, como rede e interpretador de linha de comando, podem ser adicionados ao FreeRTOS, se necessário, usando bibliotecas complementares.
Por que FreeRTOS?
FreeRTOS é basicamente um agendador em tempo real escrito em linguagem de programação C com um kernel que consiste em apenas três arquivos .c. É o pequeno tamanho do kernel do FreeRTOS que o torna adequado para microcontroladores. O FreeRTOS está disponível para mais de 40 arquiteturas, incluindo ARM. Como é de código aberto sob uma licença do MIT, está disponível gratuitamente e pode até ser modificado para ser portado para plataformas de hardware novas ou personalizadas. Como o código-fonte é de código aberto, os engenheiros incorporados podem examinar o código do kernel sempre que necessário para resolver um problema. Embora o FreeRTOS não seja uma implementação RTOS completa, o kernel garante o cumprimento de restrições rígidas em tempo real.
O FreeRTOS pode ser incorporado em um aplicativo sem expor o código-fonte proprietário. Ele fornece suporte de rastreamento integrado, uma pilha TCP/IP e um interpretador de linha de comando. Sendo um kernel confiável desenvolvido pela colaboração de mais de 15 fabricantes de chips, ele foi projetado para ser prontamente integrado a aplicativos IoT. Ele pode ser portado para placas de avaliação baseadas em microcontroladores e testado com demonstrações pré-configuradas que aceleram bastante o tempo de lançamento no mercado. A Amazon oferece testador de dispositivos IoT, uma ferramenta de automação de testes que permite testar automaticamente se uma plataforma de hardware oferece suporte ao FreeRTOS. O FreeRTOS evoluiu para interoperar com Amazon Web Services (AWS) e vem com todos os recursos possíveis de IoT. O RTOS pode ser atualizado pelo ar (OTA) para instalação de patches de segurança e bibliotecas complementares sempre que necessário.
Estendendo o FreeRTOS
As funcionalidades RTOS do FreeRTOS podem ser estendidas com bibliotecas complementares. A biblioteca FreeRTOS+TCP permite a implementação de uma pilha TCP/IP leve e completa. A biblioteca FreeRTOS+IO adiciona interfaces semelhantes a POSIX no FreeRTOS para conexão com dispositivos periféricos. A biblioteca FreeRTOS+Trace adiciona suporte de rastreamento e nos permite monitorar o comportamento em tempo real do RTOS. A biblioteca FreeRTOS+CLI ajuda a incluir uma interface de linha de comando para o sistema operacional.
Aplicações do FreeRTOS
O FreeRTOS é altamente útil em aplicativos IoT, principalmente se eles precisarem interoperar com a AWS. É amplamente utilizado em aplicações comerciais dos segmentos industrial e de consumo. Sendo um agendador minimalista em tempo real, o FreeRTOS é a escolha preferida em muitos dispositivos industriais rígidos em tempo real. É amplamente executado por microcontroladores em muitos produtos de consumo, como luzes inteligentes, wearables e vários eletrodomésticos.
Alternativas ao FreeRTOS
O FreeRTOS pode nem sempre ser a melhor escolha. Isto é especialmente verdadeiro quando um dispositivo realmente requer uma implementação RTOS completa. Esses aplicativos podem exigir um sistema de arquivos, memória virtual ou uma interface de usuário de alto nível. Em tais situações, uma variante do Linux embarcado é adequada. Alguns RTOS alternativos que podem ser adequados em tal situação incluem embOS, Yocto, Zephyr, ThreadX, Nucleus, Keil RTX, SafeRTOS, etc. Para aqueles aplicativos que não envolvem multitarefa nem restrições de tempo real, o FreeRTOS será um exagero. Tais aplicações devem ser resolvidas com programação bare metal.
Introdução ao FreeRTOS no Arduino ou ESP
O FreeRTOS é amplamente utilizado em aplicativos comerciais incorporados, é de código aberto e está disponível gratuitamente. A melhor coisa é que ele pode ser carregado em placas de microcontroladores populares como Arduino, ESP e STM32. Assim, qualquer pessoa pode começar rapidamente e experimentar o FreeRTOS em placas microcontroladoras populares.
