REAL-TIME SYSTEMS TECHNOLOGY

【第2回】元東大教員から学ぶリアルタイムシステム「リアルタイムシステムの種類」

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(Linuxカーネル)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(UNC)コンピュータサイエンス学部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++PythonSolidity/Vyper,Java,Ruby,Go,Rust,D,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
  • 2020年1月~現在はアメリカのノースカロライナ州チャペルヒルにあるGuarantee Happiness LLCのCTOとしてECサイト開発やWeb/SNSマーケティングの業務.2022年6月~現在はアメリカのノースカロライナ州チャペルヒルにあるJapanese Tar Heel, Inc.のCEO兼CTO.
  • 最近は自然言語処理AIイーサリアムに関する有益な情報発信に従事.
    • (AI全般を含む)自然言語処理AIの論文の日本語訳や,AIチャットボット(ChatGPT,Auto-GPT,Gemini(旧Bard)など)の記事を50本以上執筆.アメリカのサンフランシスコ(広義のシリコンバレー)の会社でプロンプトエンジニア・マネージャー・Quality Assurance(QA)の業務委託の経験あり.
    • (スマートコントラクトのプログラミングを含む)イーサリアムや仮想通貨全般の記事を250本以上執筆.イギリスのロンドンの会社で仮想通貨の英語の記事を日本語に翻訳する業務委託の経験あり.

こういった私から学べます.

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リアルタイムシステムで使われているリアルタイムOSは,主にC言語で書かれています.

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リアルタイムシステムの種類

リアルタイムシステムが通常のシステム(ノンリアルタイムシステム,Non Real-Time Systems)と大きく違う点は,タスクにデッドライン(締め切り)があることです.

前回で説明したように,リアルタイムシステムは主に周期タスクが動作するので,周期の終わりがデッドラインになることが多いです.

もしタスクがデッドラインミスをした場合,その処理結果が遅いだけではなく,間違ったものになってしまいます.

リアルタイムシステムでは,タスクがデッドラインまでに処理を完了したかどうかでタスクの価値が変わります.

リアルタイムシステムには以下の3種類があります.

  • ハードリアルタイムシステム(Hard Real-Time Systems)
  • ファームリアルタイムシステム(Firm Real-Time Systems)
  • ソフトリアルタイムシステム(Soft Real-Time Systems)

ハードリアルタイムシステム

ハードリアルタイムシステムとは,タスクがデッドラインまでに完了しない場合はタスクの価値が0になるだけでなく,システムに致命的な損害を与える可能性があるシステムです.

ハードリアルタイムシステムは,3種類のリアルタイムシステムの中で一番厳しい条件です.

ハードリアルタイムシステムの要件を満たすタスクをハードリアルタイムタスクと呼びます.

ハードリアルタイムタスクがデッドラインミスをした場合,タスクの価値が-∞になります(下図).

ハードリアルタイムタスク

ハードリアルタイムタスクの例は以下になります.

  • センサデータの入力やアクチュエータへの出力(例:モータ制御
  • 危機的状況の検知(例:人や障害物の衝突検知

ファームリアルタイムシステム

ファームリアルタイムシステムとは,タスクがデッドラインまでに完了しない場合はタスクの価値は0になりますが,システムに致命的な損害を与えないシステムです.

ファームリアルタイムシステムは,3種類のリアルタイムシステムの中では中間の条件です.

ファームリアルタイムシステムの要件を満たすタスクをファームリアルタイムタスクと呼びます.

ファームリアルタイムタスクがデッドラインミスをした場合,タスクの価値が0になります(下図).

ファームリアルタイムタスク

ファームリアルタイムタスクの例は以下になります.

  • 動画像処理
  • 音声のエンコードやデコード処理

ソフトリアルタイムシステム

ソフトリアルタイムシステムとは,タスクがデッドラインまでに完了しない場合はタスクの価値が低下するシステムです.

ソフトリアルタイムシステムは,3種類のリアルタイムシステムの中では一番ゆるい条件です.

ソフトリアルタイムシステムの要件を満たすタスクをソフトリアルタイムタスクと呼びます.

ソフトリアルタイムタスクがデッドラインミスをした場合,タスクの価値が低下します(下図).

ソフトリアルタイムタスク
デッドラインミスをした後の価値の減り方はタスクに依存します.

ソフトリアルタイムタスクの例は以下になります.

  • タッチパネルやキーボードからの入力処理
  • タッチパネルやディスプレイへの出力処理

実際のリアルタイムシステム

実際のリアルタイムシステムは,ハードリアルタイムタスク,ファームリアルタイムタスク,ソフトリアルタイムタスクが混在するシステムになります.

例えば,ロボットのようなハードリアルタイムシステムの場合,以下のタスクがあります.

  • モータ制御(ハードリアルタイムタスク)
  • カメラからの動画像処理(ファームリアルタイムタスク)
  • タッチパネルやキーボードからの入力処理(ソフトリアルタイムタスク)

すなわち,ハードリアルタイムシステムは,ハードリアルタイムタスク,ファームリアルタイムタスク,ソフトリアルタイムタスクを実行できます.

ファームリアルタイムシステムは,ファームリアルタイムタスク,ソフトリアルタイムタスクを実行できます.

ソフトリアルタイムシステムは,ソフトリアルタイムタスクのみ実行できます.

以上を下表にまとめました.

項目ハードリアルタイムシステムファームリアルタイムシステムソフトリアルタイムシステム
ハードリアルタイムタスクの実行
ファームリアルタイムタスクの実行
ソフトリアルタイムタスクの実行

※もちろん,すべてのリアルタイムシステムはノンリアルタイムタスクを実行できます.

リアルタイムタスクを含むリアルタイムOSはC/C++言語で書かれることが多いです.理由は以下になります.

  • モータのようなデバイスにアクセスするためには,指定したメモリアドレスへアクセスする,もしくはアセンブリ言語でハードウェア(x86-64,ARM64等)の固有命令を書く必要がある.
  • 先人たちの書いたコードがGitHubにオープンソースとして公開されているので学びやすい(巨人の肩に乗れる!).私もGitHubのオープンソースから学んでいます.
  • オープンソースして広く使われているOS「Linux」はC言語で書かれています.Linuxは汎用OSですがリアルタイム処理機構が搭載されているので,リアルタイムOS(リアルタイムLinux)として振る舞うことができます.ただし,専用のリアルタイムOSと比較するとオーバヘッドやジッタが大きくなりやすいです.
  • 国産のリアルタイムOSの仕様であるμITRONはC/C++言語に対応しています.

まとめ

今回はリアルタイムシステムとして,ハードリアルタイムシステム,ファームリアルタイムシステム,ソフトリアルタイムシステムの3種類があることを紹介しました.

また,ハードリアルタイムタスク,ファームリアルタイムタスク,ソフトリアルタイムタスクの違いは,デッドラインミスをした場合の価値の下がり方であることを説明しました.

リアルタイムシステムで使われているリアルタイムOSは,主にC言語で書かれています.

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