C LANGUAGE TECHNOLOGY

【C/C++言語】代表的なリアルタイムOS【組込みOS】

悩んでいる人

C/C++言語で開発された代表的なリアルタイムOSを教えて!

こういった悩みにお答えします.

本記事の信頼性

  • リアルタイムシステムの研究歴12年.
  • 東大教員の時に,英語でOSの授業.
  • 2012年9月~2013年8月にアメリカのノースカロライナ大学チャペルヒル校コンピュータサイエンス学部2021年の世界大学学術ランキングで20位)で客員研究員として勤務.C言語でリアルタイムLinuxの研究開発
  • プログラミング歴15年以上,習得している言語: C/C++Solidity/Vyper,Java,Python,Ruby,HTML/CSS/JS/PHP,MATLAB,Assembler (x64,ARM).
  • 東大教員の時に,C++言語で開発した「LLVMコンパイラの拡張」,C言語で開発した独自のリアルタイムOS「Mcube Kernel」GitHubにオープンソースとして公開

こういった私から学べます.

C/C++言語で開発されたリアルタイムOSを紹介します.(組込みOSを含みます.)

リアルタイムOSは時間制約を満たすために設計されたOSで,組込みOSは時間制約を含む資源制約(メモリ制約,電力制約等)を満たすために設計されたOSです.

※組込みOSのことを組込みリアルタイムOSと呼ぶこともあります.

汎用OSも資源制約を満たす機構(例:Linuxのリアルタイムスケジューリングポリシー,cgroups等)は搭載されていますが,リアルタイムOSはより少ない資源量や細かい粒度で資源制約を満たすことを目指します.

リアルタイムOSは以下の2種類の設計がありますので,それぞれ解説していきます.

  • 汎用OSのリアルタイム拡張
  • 独自設計のリアルタイムOS

まずはOSアーキテクチャ(カーネルモデル)とC/C++言語で開発された代表的なOSを知りたいあなたはこちらからどうぞ.

C言語 カーネルモデル OS
OSアーキテクチャ(カーネルモデル)とC/C++言語で開発された代表的なOS

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リアルタイムOSで利用される技術であるリアルタイムシステムやリアルタイムスケジューリングを知りたいあなたはこちらからどうぞ.

リアルタイムシステム
元東大教員から学ぶリアルタイムシステム

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汎用OSのリアルタイム拡張

汎用OSのリアルタイム拡張を紹介します.

Linuxのリアルタイム拡張(リアルタイムLinux)

Linuxのリアルタイム拡張(リアルタイムLinux)を紹介します.

まずはLinuxを知りたいあなたはこちらからどうぞ.

Linuxカーネル
元東大教員から学ぶLinuxカーネル

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リアルタイムLinuxの解説動画はこちらがわかりやすいです.

【C言語】SCHED_FIFO,SCHED_RR,SCHED_DEADLINE

SCHED_FIFO,SCHED_RR,SCHED_DEADLINEはLinuxカーネルのメインラインに搭載されているリアルタイムスケジューリングポリシーです.

SCHED_FIFO,SCHED_RRは固定優先度スケジューリング,SCHED_DEADLINEは動的優先度スケジューリングです.

SCHED_FIFO,SCHED_RR,SCHED_DEADLINEを知りたいあなたはこちらからどうぞ.

第6回Linuxカーネル
【第6回】元東大教員から学ぶLinuxカーネル「プロセススケジューリング」

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SCHED_FIFOを利用してRMスケジューリング,SCHED_DEADLINEを利用してEDFスケジューリングを実装できます.

RM,EDFを知りたいあなたはこちらからどうぞ.

第7回リアルタイムシステム
【第7回】元東大教員から学ぶリアルタイムシステム「Rate Monotonicスケジューリング」

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第8回リアルタイムシステム
【第8回】元東大教員から学ぶリアルタイムシステム「Earliest Deadline Firstスケジューリング」

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SCHED_FIFOを利用したRMスケジューリング,SCHED_DEADLINEを利用したEDFスケジューリングの実装を知りたいあなたはこちらからどうぞ.

C言語 Linux RMとEDF
【C言語】LinuxにおけるリアルタイムスケジューリングRMとEDFの実装

こういった悩みにお答えします. こういった私から学べます. 目次1 C言語でLinuxにおけるリアルタイムスケジューリングRMとEDFの実装2 sched_attr構造体とsched_setattr/ ...

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【C言語】linux-lowlatency

linux-lowlatencyは,Debian系のLinuxディストリビューション(Ubuntu等)に搭載されている低遅延で動作するリアルタイムLinuxです.

linux-lowlatencyはLinuxカーネルのコンフィグを低遅延用に変更したものです.

UbuntuではUbuntu Studioでlinux-lowlatencyを管理します.

以下のコマンドでインストールできます.

【C言語】PREEMPT_RTパッチ

PREEMPT_RTパッチは,Linuxカーネルの低遅延を実現するパッチファイルによるリアルタイムLinuxです.

linux-lowlatencyとは異なり,PREEMPT_RTパッチはLinuxカーネルのコードを変更します.

PREEMPT_RTパッチの詳細を知りたいあなたはこちらからどうぞ.

C言語 Linuxカーネル PREEMPT_RT
【C言語】LinuxカーネルのPREEMPT_RTパッチでリアルタイムプログラミング

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【C言語】RTLinux

RTLinuxは,リアルタイムタスクをLinuxのカーネルモジュールとして実行するリアルタイムLinuxです.

Linuxのカーネルモジュールを知りたいあなたはこちらからどうぞ.

C言語 Linux カーネルモジュール
【C言語】Linuxのカーネルモジュールで「Hello World!」を表示する方法

こういった悩みにお答えします. こういった私から学べます. 目次1 【C言語】Linuxのカーネルモジュール2 カーネルモジュールで「Hello World!」を表示2.1 カーネルモジュールのビルド ...

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RTLinux は,実行すべきリアルタイムタスクがない場合にのみ,Linuxカーネルをノンリアルタイムタスクとして実行します.

RTLinuxはLinuxカーネルに独自のAPIを実装しています.

  • rt_task_init関数: リアルタイムタスクを生成する.
  • rt_task_make_periodic関数: 周期タスクを実行する.
  • rt_task_wait関数:次の周期まで待機する.
  • rt_task_delete関数:タスクを削除する.

【C言語】Real-Time Application Interface(RTAI)

Real-Time Application Interface(RTAI)は,ユーザはLinux用に厳しい時間制約のあるアプリケーションを実装できるリアルタイムLinuxです.

RTAIは主に,ハードウェア抽象化レイヤーを導入するAdeosをベースとしたLinuxカーネルパッチと,リアルタイムアプリケーション開発者を便利にする様々なサービスの2つから構成されています.

Adeosは,異なるオペレーティングシステムのドメインが割り込みハンドラを登録する割り込みパイプラインを構成するカーネルパッチです.

Adeosにより,RTAIは割り込み処理を透過的に引き受けることができ,その他の処理はLinuxに任せることができます.

また,Adeosを使用することで,RTLinuxプロジェクトによる特許の制約からRTAIを解放することができます.

【C言語】Xenomai

Xenomaiは,Linux環境にシームレスに統合された,Linuxカーネルと協調して動作するリアルタイム開発フレームワークを提供するリアルタイムLinuxです.

Xenomaiの特徴は,汎用Linuxカーネルとリアルタイムコアを持つデュアルカーネルアーキテクチャであることです.

イベントに対する超低速かつ限定的な応答時間を必要とするタスクを特に扱うコンパニオンコアをカーネルに組み込むことにより,Linuxにリアルタイム機能を提供します.

デュアルカーネルアーキテクチャでは,あるタスクには厳格なリアルタイム保証を,他のタスクには豊富なOSサービスを提供します.

汎用カーネルとリアルタイムコアはほぼ非同期で動作し,どちらもそれぞれのタスクに対応し,常にリアルタイムコアが汎用カーネルより優先して実行します.

【C言語】ART-Linux

ART-Linuxは,ユーザモードでリアルタイムタスクを実行するリアルタイムLinuxです.

ART-Linuxの独自APIは以下になります.

  • art_enter関数:リアルタイムタスク(周期的またはラウンドロビン)を生成します.
  • art_wait関数:次の周期まで待機します.
  • art_exit関数:リアルタイムを削除します.

【C言語】Raspberry Pi OS(旧Raspbian)

Raspberry Pi OS(旧Raspbian)は,Raspberry Pi Foundationが公式にサポートしている,Linux(Debian)をベースとしたRaspberry Piの標準OSです.

Raspberry Pi OSの特徴は以下になります.

  • Raspberry Piに搭載されているARM CPUの浮動小数点演算命令を高速で実行する「hard-float」の機能を追加したこと(Debianはソフトウェアで浮動小数点演算を計算するsoft-floatを利用)
  • ARM CPUの高機能命令群を活用することにより性能を向上させていること

Raspberry Pi 3を知りたいあなたはこちらからどうぞ.

C言語 ラズパイ3
【C言語】Raspberry Pi 3のユーザモードとカーネルモードでプログラムの実行

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【C言語】LITMUS^RT

LITMUS^RTは,マルチコアプロセッサ向けリアルタイムスケジューリングのパッチを実装するリアルタイムLinuxです.

マルチコアプロセッサ向けリアルタイムスケジューリングでは,以下の4つのカテゴリがあります.

  • グローバル方式:タスクをコア間でマイグレーション可能
  • パーティション方式:タスクをコアに予め割り当てて実行
  • クラスタ方式:クラスタ(CPUの2~3次キャッシュ共有)単位でグローバル方式
  • セミパーティション方式:多くのタスクはコアに割り当てて(パーティション方式),残りのタスクをマイグレーション
グローバル方式 パーティション方式
クラスタ方式 セミパーティション方式
項目グローバルパーティションクラスタセミパーティション
オーバヘッドを考慮しない場合の
スケジュール成功率
中~高
オーバヘッド
オーバヘッドを考慮する場合の
スケジュール成功率
低~中
中~高
実装難易度中~高中~高

LITMUS^RTでは,グローバルスケジューリング,パーティションスケジューリング,クラスタスケジューリングの以下のリアルタイムスケジューリングをサポートします.

  • Partitioned EDF with synchronization support(PSN-EDF)
  • Global EDF with synchronization support(GSN-EDF)
  • Clustered EDF(C-EDF)
  • Partitioned Fixed-Priority(P-FP)
  • Partitioned Reservation-Based Scheduling(P-RES)
  • PD2, with either staggered or aligned quanta(PFAIR)

※LITMUS^RTのメインラインではなくパッチでは,セミパーティション方式をサポートした実装があります.

Unixのリアルタイム拡張

Unixのリアルタイム拡張を紹介します.

【C/C++言語】QNX

QNXは,組込みシステム向けのマイクロカーネルとして開発されたPOSIX仕様のUnixのリアルタイム拡張です.

QNXはx86,x86-64,ARM32,ARM64,MIPS,PowerPC,SH-4等をサポートしています.

マイクロカーネルのOSであるQNXは,カーネルの大部分をリソースマネージャと呼ばれる多数の小さなタスクの形で実行するという考えに基づいています.

モノリシックカーネルとは異なり,QNXのカーネルは特殊な能力を持つ膨大な数のパーツで構成される非常に大きなプログラムです.

QNXの場合,マイクロカーネルを使用することで,ユーザ(開発者)はOSを変更することなく,不要な機能をオフにすることができます.

その代わり,そのようなサービスは単に実行されないだけです.

QNXの利用動画はこちらです.

【C/C++言語】LynxOS

LynxOSは,組込みシステム向けのモノリシックカーネルとして開発されたPOSIX仕様のUnixのリアルタイム拡張です.

LynxOSはx86,x86-64,PowerPCをサポートしています.

LynxOSは,組込みリアルタイムシステムにおいて,航空電子機器,航空宇宙,軍事,工業プロセス制御,通信などのアプリケーションで主に使用されています.

そのため,一般的なTLS/SSLライブラリであるwolfSSLのようなミリタリーグレードのセキュリティプロトコルと互換性があります.

LynxOSの利用動画はこちらです.

Windowsのリアルタイム拡張

Windowsのリアルタイム拡張を紹介します.

【C/C++言語】Windows Embedded Compact

Windows Embedded Compactは,組込み機器向けの32ビットのマルチタスク/マルチスレッドリアルタイムOSです.

Windows Embedded Compactは,x86,ARM32,SuperH,MIPS,PowerPCをサポートしています.

Windows Embedded Compactは以下で利用されています.

  • POSレジ
  • ビデオプロジェクタ
  • カーナビ (Windows CE for Automotive)
  • ゲーム機(ドリームキャスト)
  • ポータブルメディアプレーヤ (Portable Media Center)
  • シンクライアント端末 (Windows-based Terminal,Smart Display)

【C/C++言語】Windows 10 IoT

Windows 10 IoTは,Windowsシリーズに属するIoT向け組込みOSです.

Windows 10 IoTは,x86,x86-64,ARM32,ARM64をサポートしています.

Windows 10 IoTは,Windows Embedded Compactの後継として,組込みボード(Raspberry PiやIntel Atom等)で利用されています.

Windows 10 IoTをRaspberry Pi 3にインストールする動画はこちらです.

Machのリアルタイム拡張

Machのリアルタイム拡張を紹介します.

【C言語】Real-Time Mach(RT-Mach)

Real-Time Mach(RT-Mach)は,Machのリアルタイム拡張です.

Real-Time Machの特徴は以下になります.

  • リアルタイムスレッドモデルの定義
  • RMをベースとしたIntegrated Time-Driven Scheduler(ITDS)
  • リアルタイム同期プロトコルとして優先度継承プロトコル(PIP:Priority Inheritance Protocol)と優先度上限プロトコル(PCP:Priority Ceiling Protocol)をサポート

RM,PIP,PCPを知りたいあなたはこちらからどうぞ.

第7回リアルタイムシステム
【第7回】元東大教員から学ぶリアルタイムシステム「Rate Monotonicスケジューリング」

こういった私から学べます. 前回を読んでいない方はこちらからどうぞ. リアルタイムシステムの記事一覧はこちらからどうぞ. 目次1 Rate Monotonic(RM)スケジューリング2 RMの最適性の ...

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第30回リアルタイムシステム
【第30回】元東大教員から学ぶリアルタイムシステム「Priority Inheritance Protocol」

こういった私から学べます. 前回を読んでいない方はこちらからどうぞ. リアルタイムシステムの記事一覧はこちらからどうぞ. 目次1 Priority Inheritance Protocol(PIP)2 ...

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第31回リアルタイムシステム
【第31回】元東大教員から学ぶリアルタイムシステム「Priority Ceiling Protocol」

こういった私から学べます. 前回を読んでいない方はこちらからどうぞ. リアルタイムシステムの記事一覧はこちらからどうぞ. 目次1 Priority Ceiling Protocol(PCP)2 PCP ...

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Real-Time Machの開発者の徳田先生の講演動画を是非観ましょう!

59:46でReal-Time Machを語っています!

L4のリアルタイム拡張

L4のリアルタイム拡張を紹介します.

【C言語】seL4

seL4は,L4マイクロカーネルのリアルタイム拡張です.

seL4は,オブジェクトのアクセス権についての形式的検証(Formal Verification)を可能にするためにcapabilityと呼ばれるアクセス制御を利用しています.

また,性能を犠牲にすることなく,包括的な形式的検証を実行できます.

seL4の目的は,安全性とセキュリティが重要なシステムを構築するための信頼できる基盤として利用されることです.

seL4の解説動画はこちらです.

独自設計のリアルタイムOS

独自設計のリアルタイムOSを紹介します.

μITRON仕様のリアルタイムOS

μITRON仕様のリアルタイムOSは,ITRON仕様をワンチップマイコン等への実装を対象としたサブセットといった位置付けでまとめられた仕様のリアルタイムOSです.

ITRONは,Industrial The Real-time Operating system Nucleusの略です.

μITRON仕様の特徴は3文字ルールで関数名を定義することです.

例えば以下の関数が挙げられます.

  • cre_spn関数:ロックオブジェクトを生成する.
  • loc_spn関数:オブジェクトをロックする.
  • unl_spn関数:オブジェクトをアンロックする.
  • act_tsk関数:タスクをアクティベイト(DORMANT状態からREADY状態に遷移)する.
  • pol_sem関数:セマフォをポーリングで取得する.
  • wup_tsk関数:タスクを起床(WAITING状態(起床待ち状態)からREADY状態に遷移)する.
  • ter_tsk関数:タスクを中断する.
  • sig_sem関数:セマフォを返却する.

詳細を知りたいあなたは,μITRON4.0仕様を読みましょう!

【C言語】TOPPERS/ASP3

TOPPERS/ASP3は,TOPPERS(Toyohashi OPen Platform for Embedded Real-time Systems)が開発したμITRON仕様のリアルタイムOSです.

TOPPERS/ASP3は,TOPPERS第3世代カーネル(ITRON系)の基盤となるものとして開発されています.

TOPPERS/ASP3には,以下の派生OSがあります.

TOPPERS/ASP3を含む利用事例はこちらになります.

TOPPERS/ASP3ベースのリアルタイムOSでタスクを実装する動画はこちらです.

【C言語】T-Kernel

T-Kernelは,T-Engineプロジェクトで開発されたITRON仕様の組込みOSです.

T-Kernelは,2013年9月に打ち上げられた国産ロケットイプシロン,それに搭載された観測衛星ひさきに利用されました.

また,T-Kernel 2.0は,2014年12月3日にH-IIAロケットで打ち上げられたはやぶさ2の制御システムに利用されました.

T-Engineプロジェクトの提唱者である坂村健教授(TRONの生みの親)の動画です.

【C言語】RTEMS

RTEMS(Real-Time Executive for Multiprocessor Systems)は,POSIXやμITRON等のオープンスタンダードなAPIをサポートするリアルタイムOSです.

宇宙機,医療,ネットワーク等多くの組み込み機器に利用されています.

RTEMSは現在,ARM,PowerPC,Intel,SPARC,RISC-V,MIPS等を含む18のプロセッサアーキテクチャと約200のBSPをサポートしています.

RTEMSの紹介動画はこちらです.

AUTOSAR仕様のリアルタイムOS

AUTOSAR仕様のリアルタイムOSを紹介します.

AUTOSAR仕様は,車載ソフトウェアの共通化を実現するためのプラットフォームの仕様の名称,および仕様を策定・公開している団体名です.

AUTOSARは,AUTomotive Open System ARchitectureの略です.

AUTOSARの解説動画はこちらです.

【C言語】TOPPERS/ATK2

TOPPERS/ATK2は,TOPPERSプロジェクトで公開している自動車制御用のAUTOSAR仕様のリアルタイムOSです.

TOPPERS/ATK2に関連するツールは以下になります.

【C言語】eMCOS

eMCOSはイーソルが開発するメニーコアプロセッサ対応スケーラブルリアルタイムOSです.

eMCOSの主な特徴は以下になります.

  • 分散型マイクロカーネルアーキテクチャ
  • セミプライオリティベーススケジューリング

eMCOSの解説動画はこちらです.

POSIX仕様のリアルタイムOS

POSIX仕様のリアルタイムOSを紹介します.

先述したRTEMSも含みます.

【C言語】VxWorks

VxWorksは,Wind Riverが開発するPOSIX仕様のリアルタイムOSです.

VxWorksは,x86,x86-64,MIPS,PowerPC,SH-4,ARM32,ARM64,RISC-Vをサポートしています.

VxWorksの特徴は以下になります.

  • プリエンプティブおよびラウンドロビンスケジューリングと高速な割り込み応答によるマルチタスクカーネル
  • ネイティブの64ビットOS
  • ユーザモードアプリケーション(リアルタイムプロセスまたはRTP)は,メモリ保護機構により,他のユーザモードアプリケーションおよびカーネルから分離
  • SMP,AMP,ミックスドモードマルチプロセッシングのサポート
  • エラーハンドリングフレームワーク
  • Bluetooth,USB,CANプロトコル,Firewire IEEE 1394,BLE,L2CAP,Continuaスタック,ヘルスデバイスプロファイル
  • バイナリ,カウント,相互排他セマフォと優先度継承
  • ローカルおよび分散メッセージキュー
  • ユーザモード実行環境におけるPOSIX PSE52認証適合性
  • ファイルシステム:高信頼性ファイルシステム(HRFS),FATベースファイルシステム(DOSFS),ネットワークファイルシステム(NFS),TFFS
  • デュアルモード IPv6 ネットワークスタック (IPv6 Ready Logo 認定)
  • リアルタイムプロセス(RTP),エラー検出とレポート,およびIPCを含むメモリ保護
  • TIPCおよびウインドリバーのマルチOS IPCを使用したマルチOSメッセージング
  • シンボリックデバッグ

VxWorksの紹介動画はこちらです.

その他の独自設計のリアルタイムOS

その他の独自設計のリアルタイムOSを紹介します.

【C言語】FreeRTOS

FreeRTOSは,組込みシステム用リアルタイムOSです.

2017年11月にAmazon.comがFreeRTOSを買収して話題になりました.

FreeRTOSからの派生OSとして以下があります.

  • SafeRTOS
  • OpenRTOS

FreeRTOSの解説動画はこちらです.

【C言語】Zephyr

Zephyrは,厳しい資源制約を満たす組込みシステム用リアルタイムOSです.

Zephyrは元々はRocketという名前でWind Riverにより開発され,現在はLinux Foundationのプロジェクトとして開発されています.

Zephyrは,x86,x86-64,ARM32,ARM64,SPARC等をサポートします.

Zephyrの特徴は以下になります.

  • サイズの小さなカーネル
  • 必要な資源やモジュールをコンパイル時に定義できる柔軟な設定・構築システム
  • プロトコル・スタック(IPv4とIPv6,Constrained Application Protocol(CoAP),LwM2M,MQTT, 802.15.4,Thread,Bluetooth Low Energy,CAN)の一式
  • 不揮発性ストレージのための複数のフラッシュファイルシステムによる仮想ファイルシステムインタフェース(FatFs,LittleFS,NVS)
  • 管理およびデバイスファームウェアの更新機構

Zephyrの講演動画はこちらです.

【Rust言語】Tock

Tockは,相互に信頼できない複数のアプリケーションを同時に実行するために設計された組込みOSです.

Tockは,Cortex-MのARMとRISC-Vをサポートしています.

Tockの設計の中心は,潜在的に悪意のあるアプリケーションとデバイスドライバの両方からの保護です.

Tockは,OSの異なるコンポーネントを保護するために2つのメカニズムを使用しています.

まず,カーネルとデバイスドライバは,コンパイル時のメモリ安全性と型安全性を提供するシステムプログラミング言語であるRustで書かれています.

※C/C++言語ではないことに注意して下さい.

TockはRustを用いて,カーネル(スケジューラやハードウェア抽象化層など)をプラットフォーム固有のデバイスドライバから保護するとともに,デバイスドライバ同士を分離しています.

また,TockはMMUを利用して,アプリケーション同士やカーネルを分離しています.

SOSP 2017のTockの講演動画はこちらです.

まとめ

C/C++言語で開発された代表的なリアルタイムOSを紹介しました.

具体的には,代表的な汎用OSのリアルタイム拡張と独自設計のリアルタイムOSを解説しました.

私の経験を考慮した汎用OSのリアルタイム拡張と独自設計のリアルタイムOSの比較は下表になります.

あなたがリアルタイムOSを利用したい場合は,以下の情報を踏まえて,汎用OSのリアルタイム拡張と独自設計のリアルタイムOSのどちらが良いのか選びましょう!

項目汎用OSのリアルタイム拡張独自設計のリアルタイムOS
OS開発既存の汎用OSを修正スクラッチから開発
アプリケーション開発既存のソフトウェアを流用可能な場合が多いので簡単スクラッチから書くので大変
オーバヘッド・ジッタ
ソフトウェアの検証汎用OSを含めたソースコード量が膨大で検証が大変
OSのコードサイズが比較的小さいので検証し易い
ソフトウェアの保守
汎用OSのバグや更新に依存,影響されるため保守が大変メインライン開発であること,ソースコードサイズが小さいため保守が楽

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