Prozesssteuerung & Robotik Real Time.NET. Sebastian Klose 7. Januar 2009

Transkript

1 Prozesssteuerung & Robotik Real Time.NET Sebastian Klose 7. Januar 2009

2 Gliederung 2 Überblick über.net Analyse der Echtzeittauglichkeit Geschwindigkeit Speicherverwaltung Hardwarezugriff Timing Echtzeit mit dem Compact/Micro Framework RT.NET Geschwindigkeit Speicherverwaltung Hardwarezugriff Timing Evaluation

3 3 Überblick über.net

4 Überblick über.net 4 Plattform Desktop Framework Windows Desktop + Server Compact Framework Windows Mobile/CE, Xbox Micro Framework 32 Bit CPUs (auch ohne MMU) Mono Version 3.5 SP Größe 250MB 7MB 200KB 70MB Ausführung JIT JIT Interpreter JIT GC compacting, generational Mark & Sweep compacting, generational Mark & Sweep Mark & Sweep Windows, Linux, Mac OS X, BSD, Solaris, iphone, Wii compacting, generational Mark & Sweep

5 .NET Micro Framework 5

6 .NET Micro Framework 6

7 7 Analyse der Echtzeittauglichkeit

8 Echtzeittauglichkeit - Geschwindigkeit 8 Untersucht von Chris Tacke auf Basis vom CF 2.0 Veröffentlicht im MSDN Magazine 2006

9 Echtzeittauglichkeit - Geschwindigkeit 9 ee #define GPIO3 (1 << 3)... DWORD *p = MapAddress(0x40E00000); DWORD *gpdr = p + (0x10 / sizeof(dword)); DWORD *gpsr = p + (0x18 / sizeof(dword)); DWORD *gpcr = p + (0x24 / sizeof(dword)); *gpdr = GPIO3; while(true) { *gpsr = GPIO3; *gpcr = GPIO3; } C C# C# Periodenlänge: 110ns int gpio3 = (1 << 3); PhysicalAddressPointer pap; pap = new PhysicalAddressPointer(0x40E0 0000, 0x6B); // make an GPIO output int gpdr = pap.readint32(0x10); pap.writeint32(gpdr gpio3); while(true) { // turn it off pap.writeint32(gpio3, 0x24); // turn it on pap.writeint32(gpio3, 0x18); } Periodenlänge: 740ns Micro Framework: Performance remains an area of ongoing research // toggle GPIO 3 int gpio3 = (1 << 3); // map all of GPIO space PhysicalAddressPointer pap; pap = new PhysicalAddressPointer(0x40E0 0000, 0x6B); unsafe { int *p = (int*)pap.getunsafepointer(); int *gpsr = p + (0x18 / 4); int *gpcr = p + (0x24 / 4); int *gpdr = p + (0x10 / 4); while(true) { // set the pin *gpsr = gpio3; *gpcr = gpio3; } } Periodenlänge: 110ns

10 Echtzeittauglichkeit - Geschwindigkeit 10 Michael H. Lutz von Siemens Health Services Messungen auf Basis von.net 1.0

11 Echtzeittauglichkeit - Speicherverwaltung 11 Alle Frameworks verwenden Mark & Sweep Algorithmus Dauer eines Durchlaufs abhängig von Anzahl der Objekte im Gesamtsystem Anzahl der Generationen Defragmentierung des Arbeitsspeichers GC wird aktiv, wenn Objekte der Größe von 1MB allokiert wurden (CF) Größe von Gen0 einen Schwellenwert überschreitet (Desktop) Die Anwendung in den Hintergrund verschoben wird Ein Fehler beim allokieren von Speicher auftrat GC.Collect() explizit aufgerufen wird

12 Echtzeittauglichkeit - Hardwarezugriff 12 Desktop & Compact Framework Komponente für Zugriff auf seriellen Port keine weiteren Mechanismen vorgesehen P/Invoke unter Windows CE Abbildung von physikalischen auf virtuelle Adressen VirtualAlloc VirtualCopy Micro Framework Konzept von Managed Drivers für GPIO, PWM/VTU, I2C, SPI, USB 1.1, or USART herstellerspezifische APIs für andere Hardware

13 Hardwarezugriff Micro Framework 13 using System; using System.Threading; using Microsoft.SPOT; using Microsoft.SPOT.Hardware; public class Program { public static void Main() { InterruptPort port = new InterruptPort(Cpu.Pin.GPIO_Pin3, false, Port.ResistorMode.PullDown, Port.InterruptMode.InterruptEdgeBoth); } port.oninterrupt += new GPIOInterruptEventHandler(port_OnInterrupt); Thread.Sleep(Timeout.Infinite); } private static void port_oninterrupt(cpu.pin port, bool state, TimeSpan time) { Debug.Print("Pin=" + port + " State=" + state + " Time=" + time); }

14 Echtzeittauglichkeit - Timing 14 System.Windows.Forms.Timer basiert auf Win32 Timer minimale Intervalllänge 50ms System.Timers.Timer und System.Threading.Timer minimale Intervalllänge 15ms Microsoft.SPOT.ExtendedTimer nur im Micro Framework QueryPerformanceFrequency + QueryPerformanceCounter nicht Teil von.net, aber der P/Invoke erreichbar hochauflösender Timer Auflösung hängt von Plattform ab Counts/s auf diesem Laptop (~0,07µs) Alle Timer geben keine Garantie für Einhaltung des Intervalls

15 Echtzeittauglichkeit - Timing 15 System.Threading.Thread basiert auf normalen Windows Threads nur 5 Prioritäten vorgesehen (keine davon für Echtzeit) Echtzeitpriorität kann per P/Invoke auf Echtzeit gesetzt werden keine periodischen Threads mit garantierter Startzeit Priority Inversion Windows CE implementiert Priority Ceiling Protokoll.NET CF Anwendungen profitieren aber nicht davon

16 16 Echtzeit mit Microsoft.NET

17 Echtzeit mit dem.net Framework 17 Verhindern, dass GC aktiv wird alle Objekte bei Initialisierung anlegen nach der Initialisierung keine neuen Objekte mehr anlegen kein boxing/unboxing verwenden performancekritische Teile beim Micro Framework in nativen Code auslagern exakte Timer mit QueryPerformanceCounter implementieren

18 18 Real Time.NET

19 RT.NET - Überblick 19 2 Ansätze für ein echtzeitfähiges.net Framework 1. Adaption der RTSJ vorgeschlagen von University of York keine Implementierung verfügbar 2. Austausch nicht-echtzeitfähiger Komponenten vorgeschlagen und implementiert von Martin von Löwis und Andreas Rasche

20 RT.NET - Ziele 20 AOT Compiler statt JITter echtzeitfähiger Garbage Collector Erweiterung von System.Threading mehr Prioritäten periodische Threads Priority Ceiling Protokoll direkter Zugriff auf die Hardware Interrupt Handler

21 RT.NET - Geschwindigkeit 21

22 RT.NET Speicherverwaltung 22 Referenzzählung statt Mark & Sweep Objekte werden sofort freigegeben Garbage Collection findet immer zur gleichen Zeit statt potentielle Probleme zirkuläre Referenzen Freigabe eines Objekts kann zur Freigabe weiterer Objekte führen Erweiterte Referenzzählung Objekte werden nicht sofort freigegeben, sondern in eine Queue eingeordnet Hintergrundthread löscht Objekte in Queue Thread kann in den RT Schedule eingeplant werden

23 RT.NET - Timing 23 public delegate void ThreadStart(); public class PeriodicThread { PeriodicThread(ThreadStart start, RelativeTime period); static void WaitforNextPeriod(); static void Sleep(RelativeTime time); static PeriodicThread CurrentThread(); void Start(); ThreadPriority Priority {get; set;}; }

24 RT.NET - Timing 24 enum MutexProtocol { PriorityCeiling, PriorityInheritance, None } class ExtendedMutex: Mutex { public ExtendedMutex(); public ExtendedMutex(PriorityCeiling ceiling); public bool WaitOne(int millisecondstimeout, bool exitcontext); public void ReleaseMutex(); public void Close(); public ThreadPriority PriorityCeiling{get; set;} public MutexProtocol Protocol{get; set;} }

25 RT.NET - Hardwarezugriff 25 struct Port { [MemoryAlias(0xffb2)] static byte DataRegister; [PortAlias(0xffa0)] static byte OutputPort; } [InterruptHandler] static void Irq0H() { } H8_3297.Irq0 = Irq0H;

26 RT.NET - Evaluation 26

27 RT.NET - Evaluation 27

28 Referenzen 28 [1] An Overview of the.net Compact Framework Garbage Collector - Steven Pratschner [2] Garbage Collection: Automatic Memory Management in the Microsoft.NET Framework - Jeffrey Richter [3] C# and the.net Framework: Ready for Realtime? Michael H. Lutz, Phillip A. Laplante [4] Towards a Real-Time Implementation of the ECMA Common Language Infrastructure Martin v. Löwis, Andreas Rasche [5] C# For Real Time - Examining Execution Speed of JITted Code With CF Chris Tacke

29 Referenzen 29 [6] Comparing the Timer Classes in the.net Framework Class Library - Alex Calvo [7] The.NET Micro Framework [8] Embedded.NET Jens Kühner / Vallon GmbH, dotnetpro 11/08 [9] Die Garbage Collection des.net Frameworks Christoph Oster, dotnetpro 7/07 [10] Requirements for a Real-Time.NET Framework A. Zerzelidis and A.J. Wellings Department of Computer Science, University of York, U.K.