VxWorks 26.09 سیستم عامل بلادرنگ برای سامانه‌های حیاتی

VxWorks محصول شرکت Wind River، یک سیستم‌عامل بلادرنگ (RTOS) برای توسعه و اجرای نرم‌افزارهای نهفته در تجهیزات صنعتی، سامانه‌های کنترلی و محصولات حساس به زمان است. این سیستم‌عامل با فراهم‌کردن زمان‌بندی قطعی، تأخیر کم و قابلیت اطمینان بالا، برای کاربردهایی طراحی شده که پاسخ‌گویی دقیق و قابل پیش‌بینی به رویدادها اهمیت اساسی دارد.

معماری VxWorks بر پایه هسته بلادرنگ، زمان‌بندی اولویت‌محور و پشتیبانی از پردازنده‌های چند‌هسته‌ای توسعه یافته است. این ساختار امکان اجرای هم‌زمان وظایف کنترلی، پردازش داده‌ها و ارتباط با تجهیزات جانبی را فراهم می‌کند. پشتیبانی از معماری‌های پردازنده Intel، Arm، Power و RISC-V نیز استفاده از آن را در طیف گسترده‌ای از سخت‌افزارهای نهفته امکان‌پذیر می‌سازد.

این سیستم‌عامل مجموعه‌ای از قابلیت‌های ارتباطی، امنیتی و مدیریتی را در اختیار توسعه‌دهندگان قرار می‌دهد؛ از جمله پشته شبکه IPv4 و IPv6، ارتباطات صنعتی مبتنی بر OPC UA و CAN، شبکه‌های حساس به زمان (TSN)، مدیریت حافظه، حفاظت از فرایندها و پشتیبانی از کانتینرهای OCI. همچنین امکان برنامه‌نویسی با زبان‌هایی مانند C، C++17، Rust و Python، توسعه و یکپارچه‌سازی نرم‌افزارهای پیچیده را تسهیل می‌کند.

VxWorks در توسعه سامانه‌های هوافضا، تجهیزات پزشکی، کنترل‌کننده‌های صنعتی، رباتیک، حمل‌ونقل و زیرساخت‌های ارتباطی کاربرد دارد. پشتیبانی از الزامات ایمنی عملکردی و استانداردهایی مانند DO-178C، IEC 61508، IEC 62304 و ISO 26262، در کنار ابزارهای توسعه و اشکال‌زدایی Wind River، آن را به بستری برای ساخت و نگهداری سامانه‌های نهفته با الزامات سخت‌گیرانه عملکردی و ایمنی تبدیل کرده است.

VxWorks از هسته‌ای چندپردازشی پشتیبانی می‌کند—شامل AMP، SMP و virtualization—و قابلیت اجرای هم‌زمان سیستم‌عامل‌های دیگر را روی hypervisor داخلی داراست. همچنین اولین RTOS است که امکان اجرای برنامه‌ها را به‌صورت Container (OCI) فراهم می‌کند، همراه با پشتیبانی از زبان‌هایی مثل C++17، Python و Rust، و قابلیت‌های AI/ML برای بهره‌گیری در edge intelligence. 

زمانی از یک سیستم بی‌درنگ استفاده می‌شود که لازم باشد عملیات پردازنده یا جریان داده در زمان کاملاً مشخصی انجام شود؛ بنابراین یک سیستم بی‌درنگ اغلب به‌عنوان ابزار کنترلی در یک کاربرد خاص استفاده می‌شود.

قابلیت های نرم افزار VxWorks

• اجرای وظایف با زمان‌بندی قطعی، تأخیر کم و نوسان زمانی محدود | Hard Real-Time Performance
• مدیریت وظایف هم‌زمان با زمان‌بندی پیش‌دستانه و اولویت‌محور | Priority-Based Preemptive Scheduling
• پشتیبانی از پردازنده‌های چند‌هسته‌ای با معماری‌های متقارن و نامتقارن | SMP and AMP Support
• مدیریت حافظه، جداسازی فضای کاربر و هسته و حفاظت از فرایندها | Memory Protection and Management
• پشتیبانی از پروتکل‌های شبکه و ارتباطات صنعتی مانند IPv4، IPv6، CAN و OPC UA | Networking and Industrial Connectivity
• ارتباطات بلادرنگ با پشتیبانی از شبکه‌های حساس به زمان | Time-Sensitive Networking (TSN)
• مدیریت امنیت سیستم با قابلیت‌هایی مانند Secure Boot، کنترل دسترسی و رمزنگاری | Embedded System Security
• پشتیبانی از کانتینرهای OCI و مدیریت استقرار نرم‌افزارهای نهفته | OCI Container Support
• یکپارچه‌سازی قابلیت‌های هوش مصنوعی و یادگیری ماشین در تجهیزات لبه | Edge AI and Machine Learning
• پشتیبانی از الزامات ایمنی عملکردی و توسعه سامانه‌های قابل گواهی‌سازی | Functional Safety Certification

ماژول ها و ابزارهای مهم VxWorks

• Wind River Workbench
  محیط توسعه یکپارچه مبتنی بر Eclipse برای پیکربندی سیستم‌عامل، توسعه برنامه‌های نهفته، کامپایل، اشکال‌زدایی و تحلیل عملکرد نرم‌افزار.
• VxWorks Simulator (VxSIM)
  محیط شبیه‌سازی برای اجرای نرم‌افزارهای توسعه‌یافته با VxWorks و آزمایش رفتار برنامه‌ها بدون نیاز به سخت‌افزار هدف؛ VxSIM از معماری x86 پشتیبانی می‌کند.
• Wind River System Viewer
  ابزار تحلیل و مشاهده رویدادهای زمان اجرا برای بررسی زمان‌بندی وظایف، تعامل اجزای سیستم و شناسایی مشکلات عملکردی.
• Wind River System Browser
  ابزار مشاهده و بررسی وضعیت اجزای سیستم‌عامل و منابع اجرایی در محیط توسعه و اشکال‌زدایی.
• Board Support Packages (BSPs)
  مجموعه پیکربندی‌ها و اجزای نرم‌افزاری موردنیاز برای راه‌اندازی VxWorks روی بردها و پردازنده‌های سخت‌افزاری مختلف.
• VxWorks Networking Stack
  مجموعه قابلیت‌های ارتباطی شامل پشته‌های IPv4 و IPv6، مسیریابی، مدیریت کیفیت سرویس و پروتکل‌های ارتباطی شبکه.
• VxWorks Cert Edition
  نسخه تخصصی VxWorks با مستندات و شواهد ایمنی برای تسهیل فرایند گواهی‌سازی سامانه‌های حساس، از جمله کاربردهای مشمول استانداردهای DO-178C و IEC 61508.
• VxWorks 653
  نسخه اختصاصی برای سامانه‌های اویونیک و معماری Integrated Modular Avionics (IMA) با پشتیبانی از استاندارد ARINC 653 و جداسازی زمانی و فضایی برنامه‌ها.

کاربردهای تخصصی در صنایع

• صنعت هوافضا و هوانوردی
  توسعه سامانه‌های کنترل پرواز، تجهیزات اویونیک، رایانه‌های پروازی و سامانه‌های بدون سرنشین با الزامات سخت‌گیرانه بلادرنگ و ایمنی.
• صنعت خودروسازی و حمل‌ونقل هوشمند
  پیاده‌سازی نرم‌افزار واحدهای کنترل الکترونیکی، سامانه‌های کمک‌راننده، کنترل خودرو و تجهیزات الکترونیکی حساس به زمان.
• صنایع پزشکی و تجهیزات تشخیصی
  توسعه نرم‌افزار تجهیزات تصویربرداری پزشکی، دستگاه‌های پایش بیمار و تجهیزات درمانی با الزامات قابلیت اطمینان و ایمنی.
• صنایع تولیدی و اتوماسیون صنعتی
  کنترل ربات‌های صنعتی، ماشین‌آلات خودکار، کنترل‌کننده‌های تجهیزات تولید و سامانه‌های ارتباطی بلادرنگ کارخانه‌ها.
• صنایع ریلی و سامانه‌های حمل‌ونقل
  توسعه کنترل‌کننده‌های قطار، سامانه‌های سیگنالینگ، تجهیزات نظارتی و زیرساخت‌های کنترلی حمل‌ونقل ریلی.
• صنایع مخابرات و زیرساخت‌های ارتباطی
  پیاده‌سازی نرم‌افزار تجهیزات شبکه، سامانه‌های پردازش ارتباطی و زیرساخت‌های نهفته با نیاز به عملکرد قطعی و پایدار.

سیستم‌هایی که آزمایش‌های علمی را کنترل می‌کنند، سیستم‌های تصویربرداری پزشکی، سیستم‌های کنترل صنعتی، و نیز برخی از موتورهای انژکتوری در خودرو، کنترلرهای لوازم خانگی و سیستم‌های جنگ‌افزاری، سیستم‌های بی‌درنگ هستند. این سیستم‌ها برای آنکه به‌درستی کار کنند باید پاسخ درست را در فرجه زمانی از پیش تعیین شده بازگردانند در صورتی که در سیستم‌های اشتراک زمانی مطلوب است (ولی اجباری نیست) که سریع پاسخ دهند.

بیشتر بخوانید: QNX SDP پلتفرم توسعه سامانه های بلادرنگ (RTOS)

نرم افزار Wind River نیز جز نرم افزارهای شرکت Intel می باشد که VxWorks دربستر Wind River اجرا می شود.

معماری هایی که VxWorks پشتیبانی می کند:

ARM 11 / 11 MPCore / 9 / Cortex A9 MPCore / Cortex A8

Intel Pentium family / Quark / Xeon / Xeon LV / Core / Core 2 Duo / Atom

PowerPC 86xx, 8641d / 85xx, 8572 / 83xx / 74xx / 7xx / 60x / 44x / 40x / QorIQ P4080 / QorIQ P20xx

پروژه های انجام شده

برخی از پروژه های انجام شده توسط این پلتفرم:

Spacecraft
    The Mars 2020 rover scheduled to launch in 2018
    The Mars Reconnaissance Orbiter[34]
    The Mars Science Laboratory, also known as the Curiosity rover[35]
    NASA Mars rovers (Sojourner, Spirit, Opportunity)[34]
    The Deep Space Program Science Experiment (DSPSE) also known as Clementine (spacecraft)[36] Clementine launched in 1994 running VxWorks 5.1 on a MIPS-based CPU responsible for the Star Tracker and image processing algorithms. The use of a commercial RTOS on board a spacecraft was considered experimental at the time[citation needed]
    Phoenix Mars lander[37]
    The Deep Impact space probe[38]
    The Mars Pathfinder mission[39]
    The SpaceX Dragon[40]
    NASA’s Juno space probe sent to Jupiter[41]

Aircraft
    AgustaWestland Project Zero[42]
    Northrop Grumman X-47B Unmanned Combat Air System[43]
    Boeing 787 Dreamliner’s common core system(CCS)[44]
    Airbus A400M Airlifter[45]
    BAE Systems Tornado Advanced Radar Display Information System (TARDIS) used in the Tornado GR4 aircraft for the U.K. Royal Air Force[46]
    Boeing AH-64 Apache attack helicopter[47]
    Lockheed Martin RQ-170 Sentinel UAV[48]

Space telescopes
    Fermi Gamma-ray Space Telescope(FGST)[49]
    James Webb Space Telescope (in development)[50]

Others
    European Geostationary Navigation Overlay System (EGNOS)[51]
    TacNet Tracker, Sandia National Laboratory’s rugged handheld communication device[52]
    BAE Systems SCC500TM series of infrared camera cores[53]
    Barco CDMS-3000 next generation control display and management system[54]

Automotive
    Toshiba TMPV75 Series image recognition SoCs for advanced driver assistance systems (ADAS)[55]
    Bosch Motor Sports race car telemetry system[56]
    Clarion AX1Android-based automotive in-vehicle infotainment system (IVI)[57]
    Hyundai Mobis IVI system[58]
    Magneti Marelli’s telemetry logger and GENIVI®-compliant infotainment system[59]
    BMW iDrive system before 2008[34]
    Siemens VDO automotive navigation systems[60]
    Most of Renault Trucks T, K and C trucks’ electronic control units.

Consumer electronics
    Apple Airport Extreme[34]
    Drobo data storage robot[61]
    Honda robot ASIMO[62]
    Linksys WRT54G wireless routers (versions 5.0 and later)[34]
    MacroSystem Casablanca-2 digital video editor (Avio, Kron, Prestige, Claro, Renommee, Solitaire)
    Motorola’s DCT2500 interactive digital set-top box[63]
    Mobile Technika MobbyTalk and MobbyTalk253 phones[64]
    ReplayTV home digital video recorder[65]

Industrial
Industrialr obots
    ABB industrial robots[66]
    The C5G robotic project by Comau[67]
    KUKA industrial robots[68]
    Stäubli industrial robots[69]
    Yaskawa Electric Corporation’s industrial robots[70]
    Comau Robotics SMART5 industrial robot[71]

Transportation
    FITSCO Automatic Train Protection (ATP)system[72]
    Bombardier HMI410 Train Information System[73]

Controllers
    Bachmann M1 Controller System[74]
    Invensys Foxboro PAC System[75]
    National Instruments CompactRIO 901x, 902x 907x controllers[76]
    Mitsubishi’s C controller[77]
    The Experimental Physics and Industrial Control System (EPICS)[78]
    Bosch Rexroth Industrial Tightening Control Systems[79]
    MCE iBox elevator controller[80]

Storage systems
    External RAID controllers designed by the LSI Corporation prior to 2011, now designed by NetApp, and used in IBM System Storage’s DS3000 and DS4000 (formerly FAStT)[81]
    Fujitsu ETERNUS DX S3 family of unified data storage arrays

Imaging
    Toshiba eBridge based range of photocopiers[82]

Others
    Hexagon Metrology GLOBAL Silver coordinate measuring machine (CMM)[83]
    GrandMA Full-Size and Light Console by MA Lighting[84]

Medical
    Varian Medical Systems Truebeam – a radiotherapy device for treating cancer[85]
    Olympus Corporation’s surgical generator[86]
    BD Biosciences FACSCount HIV/AIDS Monitoring System[87]
    Fedegari Autoclavi S.p.A. Thema4 process controller[88]
    Sirona Dental Systems: CEREC extraoral X-ray CAD/CAM systems[89]

Networking and communication infrastructure
    Arkoon Network Security appliances[90]
    Ubee Interactive’s AirWalk EdgePoint[91]
    Kontron’s ACTA processor boards[92]
    QQTechnologies’s QQSG[93]
    Many of Huawei’s product lines have standardized on VxWorks
    BroadLight’s GPON/PON products[94]
    Shiron Satellite Communications’ InterSKY
    Sky Pilot’s SkyGateway, SkyExtender and SkyControl[95]
    EtherRaptor-1010 by Raptor Network Technology[96]
    CPG-3000 and CPX-5000 routers from Siemens[97]
    Nokia Solutions and Networks FlexiPacket series microwave engineering product[98]
    Acme Packet Net-Net series of Session Border Controllers[99]
    Avaya ERS 8600[100]
    Avaya IP400 Offic