FreeRTOS vs. VxWorks vs. QNX vs. Zephyr: vertailu RTOS:n valinnassa

Reaaliaikaisen käyttöjärjestelmän valitseminen ei ole triviaalia: RTOS määrittää suorituskyvyn, luotettavuus ja kustannukset koko sulautetun projektisi ajan. FreeRTOSin, VxWorksin, QNX:n ja Zephyrin välillä on hyvin erilaisia ​​filosofioita, lisenssejä ja ekosysteemejä, jotka kannattaa tuntea läpikotaisin.

Viime vuosina keskustelu on kiihtynyt foorumeilla ja yhteisöissä: niiltä, ​​jotka puolustavat FreeRTOS:n riittävyyttä, niille, jotka väittävät, että Kaupallisilla RTOS-järjestelmillä on merkitystä, jos niillä on sertifioinnit ja tuki. vaakalaudalla. Täällä keräämme ja vertailemme kaikkia näitä tietoja, jotta voit tehdä päätöksen tekemättä villejä arvauksia.

Mitä vertaamme ja miksi sillä on merkitystä

Tarkkojen vertailukohtien lisäksi kannattaa vertailla mm. ydinarkkitehtuuri, lisenssit, sertifioinnit, ekosysteemi ja kehityskokemusBLE-teknologiaa hyödyntävä puettava laite ei ole sama asia kuin DAL A -lentokonejärjestelmä tai ISO 26262 -standardin mukainen moottorinohjain.

Markkinat ovat erittäin elossa: FreeRTOS nyt Amazonin alaisuudessa, ThreadX kehittyy samalla kun Eclipse-kierreX, avoimet aloitteet, kuten Zephyr, jota tukee Linux Foundation ja perinteiset johtajat, kuten VxWorks tai QNX, joilla on vuosikymmenten kokemus kriittisistä käyttöönottoista.

Lisäksi on olemassa vivahteita, jotka muuttavat peliä: joitakin RTOS-järjestelmiä He veloittavat rojalteja yksikköä kohden, toiset ovat MIT/Apache; jotkut perustuvat POSIX-mikroytimeen ja toiset minimaaliseen ytimeen ja modulaarisiin laajennuksiin.

RTOS:n nykyinen panoraama

Markkinatutkimus (AspenCore Embedded Markets Study, VDC Research) ja tekniset luettelot ovat yhtä mieltä: FreeRTOS on laajimmin käytetty RTOS MCU-kattavuuden mukaan määrällisesti, kun taas VxWorks ja QNX johtavat säännellyillä aloilla. Zephyr kasvaa IoT:n "ekosysteemialustana".

Valmistajat ja yhteisöt mainitsevat laajan kirjon suosittuja vaihtoehtojaDeos (DDC-I), embOS (SEGGER), FreeRTOS (Amazon), INTEGRITY (Green Hills), Keil RTX (Arm), LynxOS/LynxOS-178 (Lynx), MQX (NXP), Nucleus (Mentor/Siemens), Neutrino/QNX (BlackBerry), PikeOS (SYSGO), SAFERTOS (WITTENSTEIN), ThreadX (Microsoft/Eclipse), µC/OS (Micrium/Silicon Labs), VxWorks (Wind River) ja Zephyr (Linux Foundation), muiden muassa.

Ole varovainen Linuxin kanssa vaativassa reaaliaikaisessa kontekstissa: toiminnallisen tietoturvakerroksen osalta Tavallinen asia on RTOS tai suojausosioja Linux monipuolisia rinnakkaistoimintoja varten hypervisorin kautta; tätä hybridiarkkitehtuuria nähdään teollisuudessa, autoteollisuudessa ja puolustusteollisuudessa.

RTOS-tyypit ja milloin niitä käytetään

Kovissa reaaliaikaisissa järjestelmissä määräajan umpeutuminen on järjestelmävika: avioniikka, ABS-jarrut, robotit teollinenMäärityskyky ja sertifioinnit ovat tässä avainasemassa, ja RTOS:t, kuten Deos, INTEGRITY, VxWorks, QNX tai LynxOS-178, ovat yleisiä.

Pehmeässä reaaliajassa pienet viiveet heikentävät laatua, eivät turvallisuutta: streaming, reititys, tietoviihdeKevyille ytimille tai yleiskäyttöisille käyttöjärjestelmille laajennuksilla on tilaa.

Yrityksen reaaliajassa määräajalla on merkitystä, mutta sen laiminlyönti ei ole katastrofaalista: tehdasautomaatio, multimediaValinta pyörii ennustettavuuden, kustannusten ja ylläpidettävyyden ympärillä.

Keskeiset komponentit ja RTOS:n toimintaperiaate

RTOS tarjoaa deterministisen ajastimen (RMS, EDF, kiinteät prioriteetit), jossa on rajoitetut latenssit ja keskeytysten käsittely Erittäin tehokas. Tavoitteena on varmistaa pahin mahdollinen tapaus, ei vain keskiarvot.

Synkronointi käyttää semaforeja, mutekseja ja jonoja; tehtävien välinen viestintä käyttää viestijonot ja tapahtumatMuistin hallinta minimoi pirstoutumisen ja jitterin ylläpitääkseen ennustettavaa ajoitusta.

Lisäksi laitteistopohja on tiivistetty HAL-rajapinnoilla tai kannettavilla API-rajapinnoilla; nykyaikaisilla alustoilla näet Osittainen tai täydellinen POSIXja viitekehykset tavaratila turvallinen, krypto ja OTA-päivitykset integroitu.

FreeRTOS vs. VxWorks vs. QNX vs. Zephyr, kaksintaistelu

FreeRTOS Se on minimalistinen, modulaarinen ja erittäin portattu ydin. Vuodesta 2017 lähtien Amazon on tukenut sitä, sillä on integraatio AWS:n (esim. Greengrassin) kanssa ja valtava yhteisö.

• Parasta: minimaaliset käyttökustannukset, loistava tuki MCU SDK:ille (ESP-IDF integroi Espressifin ja Amazonin SMP-variantit) ja vapauden "laittaa sisään vain sen, mitä tarvitset". ESP32-projekteissa hyödyt SMP:stä, osittaisista POSIX-alkupätkistä ja alustojen välisestä C/C++-kirjastotuesta.
• Vähiten ihanteellinen: siitä puuttuu yhtenäinen "standardipino" kaikelle (ajurit, tiedostojärjestelmät, yhteydet) ja Integraatiot riippuvat toimittajastaRiittämätön, jos tarvitset valmiita tietoturvasertifikaatteja.

VxWorks Se edustaa teollisia RTOS-järjestelmiä, joilla on vuosikymmenten kokemus. Se erottuu edukseen edistyneillä virheenkorjaustyökaluillaan, ammattimaisella tuellaan ja sertifiointivaihtoehdotSitä käytetään ilmailu-, puolustus-, lääketieteen ja teollisuuden aloilla, ja se tukee useita arkkitehtuureja (ARM, x86, POWER, RISC-V) ja SMP/AMP/mixed-mode-malleja.

• Hyvät puolet: Erittäin viimeistelty RT-suorituskyky, kypsä ekosysteemi ja selkeä reitti sertifiointiinHaitat: Kaupallinen lisenssi, jossa rojaltit maksetaan yksikköä kohden, ja vähemmän käyttäjän joustavuutta ytimen muokkaamiseen.

QNX (Neutrino) Se perustuu erittäin vankkaan ja luotettavaan POSIX-mikroytimeen, joka on vakiintunut autoteollisuudessa ja teollisuuden ohjausjärjestelmissä. Se on oppikirjan mukainen mikroydin: palvelut käyttäjätilassa, eristäminen ja vikasietoisuus.

• Hyvät puolet: Ennustettavuus, vakaus ja sertifioinnit; Huonot puolet: suljettu ja maksettuja vähemmän hakkeroitavissa kuin avoin RTOS. Se on moottorien ja tietoviihdejärjestelmien vertailukohta, jolla on vankka kokemus autoteollisuudesta.

Tuulenhenkäys, jota ylläpitää Linux Foundation, ei ole pelkkä ydin: se on täydellinen ekosysteemi, joka sisältää Devicetreen, Kconfigin, ajurit, BLE/Wi-Fi:n, komentotulkin, lokitiedot, MCUBootin ja modernit työkalut (länsi monirepositoriota ja twisteriä testejä varten).

• Hyvät puolet: Standardoidut API:t, integroitu tietoturva ja aitoa MCU-rajat ylittävää siirrettävyyttäHaittoja: jyrkkä oppimiskäyrä (Devicetree/Kconfig), työkalut Python ja "Zephyrin tapa" tehdä asioita, jotka vaativat kurinalaisuutta. Se loistaa, kun projekti vaatii vakavasti otettavaa tietoliikennettä, testausta ja CI/CD:tä.

Kaupalliset ja avoimen lähdekoodin RTOS:t, joita ei kannata jättää väliin

• ThreadX / Azure RTOS / Eclipse ThreadX: pienempi jalanjälki, otettu käyttöön miljardeissa laitteissa ja edistyneellä aikataulutuksella (ennakkoehtokynnys), tapahtumien ketjutuksella ja jäljityksellä. Azure-vaiheen jälkeen kehittyy Eclipsessä, mikä voisi tasoittaa tietä läpinäkyvämmälle avoimen lähdekoodin (OSS) mallille.
• TURVALLISET RTOS:t (WITTENSTEIN): suunniteltu toiminnallista turvallisuutta varten IEC 61508 SIL3- ja ISO 26262 ASIL D -esisertifiointiSe jakaa toiminnallisen mallin FreeRTOSin kanssa ja tarjoaa tuetun migraatiopolun.
• kohokuvio (SEGGER): veteraani, erittäin optimoitu ja rojaltivapaa mainosSe sopii erityisen hyvin auto- ja teollisuussektoreille; se tarjoaa nolla keskeytyslatenssia, minimaalisen muistin käytön ja tukee 8/16/32-bittisiä versioita.
• Keil RTX (Käsivarsi): vapaa ja rojaltivapaa Cortex-M:lle, joustavalla ajoituksella (round-robin, preemptiivinen, yhteistyöhön perustuva) ja hyvällä virheenkorjausintegraatiolla MDK-ARM:ssa; se ei ole Armin keskeinen strateginen painopiste jatkossa.
• MQX (NXP): vankka pohja, mutta sidottu piivalmistajaan, lukitushuolet joissakin laitevalmistajissa. NXP-ympäristöissä se voi olla erittäin käytännöllinen.
• tuma (Mentor/Siemens): Se oli "RTOS" vuosia sitten mallin alla rojaltivapaa lähdekoodilla; nykyään sen läsnäolo on pienempi Mentorin siirtymisen jälkeen muihin ohjelmistotuotteisiin.
• LynxOS ja LynxOS‑178 (Lynx Software Technologies): natiivi POSIX, kova reaaliaikainen ja DO‑178B/C DAL A -sertifiointiLynxOS-178:lla on FAA RSC, harvinainen COTS-hyväksyntä sertifioitavasta uudelleenkäytettävyydestä.
• PikeOS (SYSGO): Osiointiin ja hypervisoriin keskittyminen; erittäin sertifiointikeskeinen sekajärjestelmät, joissa RTOS ja Linux/muut vierasjärjestelmät toimivat rinnakkain.
• deodorantit (DDC-I): Ilmailu-/puolustusmaali, jossa DO-178; malli, jossa rojalteja yksikköä kohden ja erittäin spesifi A&D-painotus.
• µC/OS / Mikro-OS (Silicon Labs): Historiallisesti laajalti käytetty lääketieteellisissä ja teollisissa sovelluksissa; nykyään sen saatavuus ja osoite Silabs-universumin ulkopuolella herättää epäilyksiä joissakin joukkueissa.
• TI-RTOS (Texas Instruments): Nopeuttaa kehitystä TI-mikrokontrollereilla RTOS-ytimen + väliohjelmiston ja ajureiden avulla; helpottaa energiatehokkuutta ja nopea poistuminen IT-ekosysteemistä.
• Contiki-NG: IoT-pino, jossa painotetaan verkostoitumista; edistää Dockeria ja toistettavia ympäristöjä, ihanteellinen yhdistettävyyskeskeisiin projekteihin ja kokeilu.
• RIOTGNU Make, vakiotyökaluketjut ja paljon dokumentaatiota; hyvä OSS-vaihtoehto kun tarvitset jotain pelkän metallin ja täyden Zephyrin väliltä.
• PähkinäXerittäin pätevä ja POSIX-makuinen, mutta sen käyttämällä Kconfigia ja ympäristövaatimukset voivat vaikeuttaa tiettyjä integraatioita ja virtoja Windows.
• ChibiOS/RTkevyt ja nopea; joissakin virtauksissa se näyttää lyö vetoa tiettyjen IDE-työkalujen/kehitysympäristöjen puolesta, mikä voi olla ristiriidassa jo olemassa olevien putkistojen kanssa.
• DuinOSmonisäikeistys yhteensopiville emolevyille Työläs FreeRTOS-pohjainen; hyödyllinen koulutuksessa tai prototyyppien etsimisessä kehittyä Arduinosta kohti oikeita RTOS-järjestelmiä.

Kehityskokemus: työkaluketjut, CI/CD ja porttaukset

Tiimin kokemus on yhtä tärkeä kuin datalehdet: RTOS, jolla on pehmeä käyrä ja vakiotyökalut Se voi säästää viikkojen työtä. FreeRTOS kääntyy lähes minkä tahansa kanssa ja "tekee itsensä näkymättömäksi", mikä helpottaa työnkulkuja C/C++:lla ja yksinkertaisilla editoreilla.

Zephyr loistaa länsi, twister, Devicetree ja Kconfig, ihanteellinen jatkuvat toimituskäytännöt ja validointia korttifarmilla. Vastineeksi se edellyttää heidän laitteiston kuvaus- ja ominaisuuksien konfigurointitapojen oppimista, ja se on riippuvainen Pythonista.

ESP-IDF:ssä FreeRTOS tarjoaa hyvin integroituja SMP-variantteja, osittaisen POSIXin ja valtavan yhteisön; jos käytät uudelleen alustojen välisiä kirjastoja (esim. POCO), voit jaa hyvä osa koodista pöytätietokoneella, mikä rajoittaa käynnistyksen ja oheislaitteiden yksityiskohdat.

Mainoksissa arvo on tuessa, jälkien ja ongelman diagnoosi Alhaisella tasolla. Kun määräajat ja standardien noudattaminen eivät jätä sijaa yllätyksille, toimittajan tukeminen muuttaa kaiken.

Sertifioinnit, tietoturva ja seka-arkkitehtuuri

Jos tähtäät lääketieteen, autoteollisuuden tai avioniikan alan tarpeisiin, tarkista seuraavat asiat alusta alkaen: sertifiointitodistus Saatavilla: DO‑178C (avioniikka), IEC 61508 (teollisuus), ISO 26262 (autoteollisuus). Tuotteilla, kuten LynxOS‑178, VxWorks, INTEGRITY, Deos tai SAFE RTOS, on jo vakiintuneet polkunsa.

Turvallisuuden osalta Zephyr integroi MCUBoot, mbedTLS ja PSA Cryptoja ylläpitää hyviä konfigurointikäytäntöjä; FreeRTOS tarjoaa AWS-valmiita paketteja ja suojattuja käynnistysvaihtoehtoja toimittajasta riippuen.

Linuxin ja RTOS:n yhdistämiseen luonnollinen tapa on hypervisor/osiointi (esim. PikeOS, LYNX MOSA.ic). Joten varaa kriittinen osa RTOS:lle ja jättää käyttöliittymän, liitettävyyden ja monipuoliset ominaisuudet Linuxille.

Rojaltit, lisenssit ja kokonaiskustannukset

Suosittujen vaihtoehtojen joukossa heillä on yleensä rojalteja yksikköä kohdenVxWorks, QNX/Neutrino, INTEGRITY, PikeOS, LynxOS, Deos. Royalty-vapaat: FreeRTOS (MIT), Zephyr (Apache), embOS (rojaltivapaa liiketoimintamalli), Keil RTX, MQX, Nucleus, µC/OS, SAFE RTOS ja ThreadX eri malleissaan.

Kokonaiskustannukset eivät koostu pelkästään lisenssistä: ne sisältävät integrointiaika, validointi, tuki ja riskiTuen maksaminen voi olla halpaa, jos se säästää sinulta viikkojen epävarmuutta sertifioinnista tai vaikeasti ratkaistavasta bugista.

Kuinka päättää: alusta, vaatimukset ja laitteet

Jos laitteistosi on Cortex-A/x86 ja tarvitset monimutkaisia ​​ajureita, saatat olla parempi vaihtoehto täyskäyttöjärjestelmällä tai Kaupallinen RTOS POSIX-tekniikalla ja tuki. Jos kyseessä on muistirajoitettu mikrokontrolleri, FreeRTOS tai embOS ovat helppoja vaihtoehtoja.

Jos projektisi vaatii BLE:tä, Wi-Fiä, FS:ää, shelliä, automatisoitua testausta ja toistettavaa koontia, Zephyr vähentää integrointikipua seuraavien ominaisuuksien ansiosta: Yhdenmukaiset API:t ja työkalutJos toimit säännellyn organisaation alaisuudessa, tarkista sertifiointipolku ennen kuin kirjoitat ensimmäisen koodirivin.

Tiimikulttuurin mukaan: jos kaikki osaavat CMake/GNU Make -ohjelmointikielen ja välttävät Python-riippuvuuksia, "näkymätön" ydin, kuten FreeRTOS, sopii paremmin; jos tiimisi asuu CI / CD ja DevOpsZephyr tekee sinut onnelliseksi keskipitkällä aikavälillä.

Muista piin ja työkalujen "lukkiutuminen": valmistajaan tai muuhun vastaavaan RTOS-piiriin sidottu suljettu sviitti voi vaikeuttaa tulevia migraatioita. Pyri aluksi käyttämään vakiomuotoisia HAL-rajapintoja ja API-rajapintoja aina kun mahdollista.

Käyttötapaukset toimialoittain

• Autoteollisuus: moottorinohjaus, ADAS ja tietoviihdejärjestelmät jaetaan yleensä keskenään. Sertifioitu RTOS ja POSIX-mikroydin; QNX ja VxWorks hallitsevat, SAFE RTOS/INTEGRITY esiintyy tietoturvaketjuissa ja Linux esiintyy rinnakkain tietoviihteessä.
• Teollisuus: CNC-koneet, robotit, PLC:t ja yhdyskäytävät yhdistävät deterministiset RTOS:t Linux yhteyksiä vartenTämä sisältää VxWorksin, INTEGRITYn, LynxOS‑178:n, PikeOS:n ja OSS-vaihtoehdot, kuten FreeRTOS/Zephyrin, riskistä ja kustannuksista riippuen.
• Lääkäri: Infuusiopumput, monitorit ja implantoitavat laitteet vaativat jäljitettävyys ja todisteetSAFE RTOS:lla, VxWorksilla, QNX:llä, INTEGRITYllä ja µC/OS:lla on paljon vetovoimaa.
• IoT ja kulutus: puettavat laitteet, anturit ja älykodit priorisoivat usein jalanjälkeä, yhdistettävyyttä ja kustannuksia: FreeRTOS ja Zephyr ovat yleisiä, ja ThreadX:ää on monissa kaupallisissa akuissa.

Yhteisön muistiinpanoja ja opittuja asioita

Teknisissä yhteisöissä on vahvoja mielipiteitä: sanotaan, että FreeRTOS "näyttää hyvältä", jos et ole pelannut mainoksia, ja toiset vastustavat sen todellista joustavuutta mikrokontrollereissa ja toimittajatuessa (ESP-IDF on hyvä esimerkki).

ThreadX:ssä siirtyminen Eclipseen tasoittaa tietä enemmän läpinäkyvyyttä, vaikka jotkut tiimit raportoivat hajanaisesta dokumentaatiosta Azure-vaiheessa. Olennaista on arvioida repositorion nykytila ​​ja sen esimerkit MCU:llesi.

Zephyrin kohdalla toistuva kritiikki on, että oppimiskäyrä (Devicetree, Kconfig), mutta palkintona on pitkällä aikavälillä helpommin ylläpidettävä projekti ja vähemmän itse tehtyä "liimaa".

Ja FreeRTOSissa filosofia ”laita vain mitä tarvitset”välttää binääritiedoston ylikuormituksen ja antaa sinun mukauttaa ajoitinta, kekoa ja ajureita vaivattomasti.

Yhteen reseptiin pitäytyminen olisi itsepetosta: Jokainen RTOS loistaa kontekstissaanJos tarvitset sertifiointia ja tukea, myyntiedustaja on paras vaihtoehto. Jos etsit minimaalista jalanjälkeä tai standardoitua OSS-ekosysteemiä, FreeRTOS tai Zephyr ovat hyviä valintoja. Tiimeille, jotka arvostavat CI/CD:tä ja siirrettävyyttä, Zephyr tarjoaa erittäin vankan all-in-one-ratkaisun. Niille, jotka arvostavat tarkkaa hallintaa ja minimaalista kitkaa, FreeRTOS jättää polun vapaaksi.

Aiheeseen liittyvä artikkeli:

Kiinteä julkaisu vs. liikkuva julkaisu vs. kehityshaara, yölliset koontiversiot ja jatkuva toimitus: strategioiden erot ja vertailu

Isaac

Intohimoinen kirjoittaja tavujen maailmasta ja tekniikasta yleensä. Rakastan jakaa tietämykseni kirjoittamalla, ja sen aion tehdä tässä blogissa, näyttää sinulle kaikki mielenkiintoisimmat asiat vempaimista, ohjelmistoista, laitteistoista, teknologisista trendeistä ja muusta. Tavoitteeni on auttaa sinua navigoimaan digitaalisessa maailmassa yksinkertaisella ja viihdyttävällä tavalla.