زمان‌بند (Scheduler) یکی از مهم‌ترین اجزای هر سیستم‌عامل (چه RTOS و چه GPOS) است که وظیفه مدیریت و تخصیص زمان CPU به تسک‌ها یا فرآیندها را بر عهده دارد. به بیان ساده‌تر، زمان‌بند تصمیم می‌گیرد که کدام تسک در چه زمانی اجرا شود و چگونه منابع سیستم به تسک‌ها تخصیص یابد.

زمان‌بندی پیش‌بینی‌پذیر چیست؟

زمان‌بندی پیش‌بینی‌پذیر (Deterministic Scheduling) به این معناست که زمان‌بند می‌تواند از قبل تضمین کند که هر تسک:

1. در بازه زمانی مشخصی اجرا خواهد شد.
2. مهلت زمانی (Deadline) تسک‌ها رعایت می‌شود.

این ویژگی مخصوصاً در RTOS اهمیت دارد، زیرا در سیستم‌های بلادرنگ، زمان اجرای تسک‌ها حیاتی است. برخلاف سیستم‌عامل‌های معمولی که ممکن است اجرای یک تسک به دلیل اولویت‌های پویا یا بار کاری زیاد به تأخیر بیفتد، در RTOS، ترتیب اجرای تسک‌ها قابل پیش‌بینی و برنامه‌ریزی‌شده است.

زمان‌بند چگونه کار می‌کند؟

زمان‌بند وظیفه دارد:

1. تسک‌ها را براساس اولویت‌ها سازماندهی کند.
2. زمان اجرا را بین تسک‌ها تقسیم کند.
3. در مواقع لزوم، تسک در حال اجرا را متوقف کرده و تسک با اولویت بالاتر را اجرا کند.

فرآیند زمان‌بندی:

1. لیست آماده (Ready Queue):
   تسک‌هایی که آماده اجرا هستند در لیست آماده قرار می‌گیرند.
2. انتخاب تسک:
   زمان‌بند براساس الگوریتم مشخص (مانند Round Robin یا Priority Scheduling) یک تسک را از لیست آماده انتخاب می‌کند.
3. اجرا:
   CPU به اجرای تسک انتخاب‌شده می‌پردازد.
4. تعویض تسک (Context Switch):
   اگر تسک جدیدی با اولویت بالاتر وارد لیست آماده شود، یا زمان تسک فعلی به پایان برسد، زمان‌بند اجرای تسک را تغییر می‌دهد.

الگوریتم‌های زمان‌بندی:

در RTOS، الگوریتم‌های مختلفی برای زمان‌بندی وجود دارد که برخی از آن‌ها عبارتند از:

1. Round Robin (چرخشی):
   زمان‌بند به هر تسک مقدار مساوی زمان اختصاص می‌دهد و تسک‌ها به صورت چرخشی اجرا می‌شوند.
2. Priority Scheduling (زمان‌بندی بر اساس اولویت):
   تسک‌هایی با اولویت بالاتر زودتر اجرا می‌شوند.
3. Rate Monotonic Scheduling (RMS):
   اولویت تسک‌ها براساس دوره زمانی آن‌ها تعیین می‌شود؛ تسک‌هایی با دوره کوتاه‌تر اولویت بالاتری دارند.
4. Earliest Deadline First (EDF):
   تسک‌هایی که مهلت زمانی نزدیک‌تری دارند، زودتر اجرا می‌شوند.

اهمیت زمان‌بند در RTOS:

1. رعایت مهلت‌های زمانی:
   در کاربردهای بلادرنگ، مانند کنترل صنعتی یا پزشکی، اگر تسک‌ها در زمان مشخص اجرا نشوند، ممکن است سیستم دچار خطا یا حتی فاجعه شود.
2. مدیریت منابع:
   زمان‌بند تضمین می‌کند که منابع محدود (مثل CPU) به طور بهینه و عادلانه بین تسک‌ها تقسیم شود.
3. پاسخ‌دهی سریع:
   RTOS با استفاده از زمان‌بندهای پیشرفته می‌تواند به تغییرات محیطی یا درخواست‌های فوری به سرعت واکنش نشان دهد.

مثال ساده:

فرض کنید یک سیستم RTOS داریم که دو تسک دارد:

1. خواندن دمای سنسور (هر 10 میلی‌ثانیه).
2. ارسال داده به سرور (هر 100 میلی‌ثانیه).

• زمان‌بند تضمین می‌کند که تسک خواندن دما همیشه هر 10 میلی‌ثانیه اجرا شود، حتی اگر تسک ارسال داده در حال اجرا باشد.
• اگر زمان‌بند پیش‌بینی‌پذیر نباشد، ممکن است تسک خواندن دما به تأخیر بیفتد و داده‌های مهم از دست بروند.

نتیجه:

زمان‌بند در RTOS تضمین می‌کند که تسک‌ها براساس اولویت یا زمان‌بندی از پیش تعیین‌شده اجرا شوند و هیچ مهلت زمانی نقض نشود. این قابلیت، سیستم‌های بلادرنگ را برای کاربردهایی که به پاسخ‌دهی سریع و دقیق نیاز دارند، ضروری می‌سازد.