Một dạng khác của hệ điều hành có mục đích đặc biệt là hệ thời thực (real-time system). Hệ thời thực được dùng khi các yêu cầu thời gian khắt khe được đặt trên thao tác của một bộ xử lý hay dòng dữ liệu; do đó, nó thường được dùng như một thiết bị điều khiển trong một ứng dụng tận hiến. Các bộ cảm biến mang dữ liệu tới máy tính. Máy tính phải phân tích dữ liệu và có thể thích ứng các điều khiển để hiệu chỉnh các dữ liệu nhập cảm biến. Các hệ thống điều khiển các thí nghiệm khoa học, hệ thống

ảnh hoá y tế, hệ thống điều khiển công nghệ và các hệ thống hiển thị,... Các hệ thống phun dầu động cơ ôtô, các bộ điều khiển dụng cụ trong nhà, hệ thống vũ khí cũng là các hệ thống thời thực.

Một hệ thống thời thực có sự ràng buộc cố định, rõ ràng. Xử lý phải được thực hiện trong phạm vi các ràng buộc được định nghĩa hay hệ thống sẽ thất bại. Một hệ thời thực thực hiện đúng chức năng chỉ nếu nó trả về kết quả đúng trong thời gian ràng buộc. Tương phản với yêu cầu này trong hệ chia thời, ở đó nó mong muốn (nhưng không bắt buộc) đáp ứng nhanh, hay đối với hệ thống bó, nó không có ràng buộc thời gian gì cả.

Hệ thời thực có hai dạng: cứng và mềm. Hệ thời thực cứng đảm bảo rằng các

tác vụ tới hạn được hoàn thành đúng giờ. Mục tiêu này đòi hỏi tất cả trì hoãn trong hệ thống bị giới hạn, từ việc lấy lại dữ liệu được lưu trữ thời gian hệ điều hành hoàn thành bất cứ yêu cầu cho nó. Các ràng buộc thời gian như thế ra lệnh các phương tiện sẳn có trong hệ thời thực cứng. Thiết bị lưu trữ phụ của bất cứ thứ hạng nào thường bị giới hạn hay bị mất với dữ liệu đang được lưu trong bộ nhớ lưu trữ ngắn hạn (short- term memory) hay trong bộ nhớ chỉ đọc (ROM). Hầu hết các hệ điều hành hiện đại không cung cấp đặc điểm này vì chúng có khuynh hướng tách rời người dùng từ phần cứng và sự tách rời này dẫn đến lượng thời gian không xác định mà thao tác sẽ mất. Thí dụ, bộ nhớ ảo hầu như chưa bao giờ thấy trong hệ thời thực. Do đó, những hệ thời thực cứng xung đột với thao tác của hệ chia thời và hai hệ này không thể đan xen nhau. Vì không có hệ điều hành đa mục đích đã có hỗ trợ chức năng thời thực cứng; chúng ta không tập trung với loại hệ thống này trong chương này.

Một loại thời thực ít hạn chế hơn là hệ thời thực mềm, ở đó tác vụ thời thực tới hạn có độ ưu tiên hơn các tác vụ khác và duy trì độ ưu tiên đó cho đến khi chúng hoàn thành. Như trong hệ thời thực cứng, sự trì hoãn nhân (kernel) của hệ điều hành trì

hoãn yêu cầu được giới hạn. Một tác vụ thời thực không thể giữ việc chờ không xác định đối với nhân để thực thi. Thời thực mềm là mục tiêu có thể đạt được và có thể được đan xen với các loại hệ thống khác. Tuy nhiên, hệ thời thực mềm có những tiện ích giới hạn hơn hệ thời thực cứng. Vì không hỗ trợ tốt cho thời điểm tới hạn, nên hệ thời thực mềm dễ gây rủi ro khi dùng cho việc kiểm soát công nghệ và tự động hoá. Tuy nhiên, chúng có ích trong nhiều lĩnh vực như đa phương tiện, thực tế ảo, dự án khoa học tiên tiến-như khám phá trong lòng đại dương và khám phá hành tinh. Những hệ thống này cần những đặc điểm hệ điều hành tiên tiến mà không được hỗ trợ bởi hệ thời thực cứng. Vì việc sử dụng chức năng thời thực mềm được mở rộng nên chúng ta đang tìm cách đưa chúng vào trong hầu hết các hệ điều hành hiện tại, gồm các ấn bản chính thức của UNIX.