Entwicklung einer echtzeitfähigen CLI-Laufzeitumgebung für den Einsatz in der Automatisierungstechnik

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1 Entwicklung einer echtzeitfähigen CLI-Laufzeitumgebung für den Einsatz in der Automatisierungstechnik Echtzeit 2010 Alexej Schepeljanski Martin Däumler Matthias Werner Echtzeit 2010 / 18. November 2010

2 Gliederung 1 Motivation 2 MonoVM 3 Prä-JIT 4 Trampoline 5 Ausblick Echtzeit 2010 Entwicklung einer echtzeitfähigen CLI-Laufzeitumgebung für den Einsatz in der Automatisierungstechnik 2

3 Gliederung 1 Motivation 2 MonoVM 3 Prä-JIT 4 Trampoline 5 Ausblick Echtzeit 2010 Entwicklung einer echtzeitfähigen CLI-Laufzeitumgebung für den Einsatz in der Automatisierungstechnik 3

4 Aktuell verwendete Sprachen EN Sprachen: AWL - Anweisungsliste KOP - Kontaktplan FBS - Funktionsbaustein-Sprache AS - Ablaufsprache ST - Strukturierter Text Echtzeit 2010 Entwicklung einer echtzeitfähigen CLI-Laufzeitumgebung für den Einsatz in der Automatisierungstechnik 4

5 Vorteile von EN LD WERT1 ADD WERT2 ST OUTPUT IF (MASCHINE_EINGESCHALTET = TRUE) THEN SOLLPOSITION := SOLLPOSITION + 100; AUSGANG1 := EINGANG1 AND EINGANG2; ELSE AUSGANG1 := FALSE; END_IF; E1 E2 A1 A1 Vorteile: Verbreitet Einfach zu erlernen Schnell Echtzeit 2010 Entwicklung einer echtzeitfähigen CLI-Laufzeitumgebung für den Einsatz in der Automatisierungstechnik 5

6 Nachteile von EN Nachteile: Abstraktionsgrad zu gering Restriktives Typenmodell Keine Callback- und Interrupt-Funktionen Keine Objektorientierung Begrenzte Portierbarkeit Echtzeit 2010 Entwicklung einer echtzeitfähigen CLI-Laufzeitumgebung für den Einsatz in der Automatisierungstechnik 6

7 Rahmenbedingungen Zusammenarbeit mit SYS TEC electronic GmbH: Die SPS soll mindestens in C# programmierbar sein Der Umstieg von den bestehenden SPS-Systemen soll einfach sein Es sollen strikte Echtzeitanforderungen realisiert werden können Als Hardware-Plattform ist mindestens eine auf 32-Bit x86-cpus basierende Architektur vorgesehen Aus lizenzrechtlichen Gründen sollte Open-Source-Software verwendet werden Echtzeit 2010 Entwicklung einer echtzeitfähigen CLI-Laufzeitumgebung für den Einsatz in der Automatisierungstechnik 7

8 Vorteile einer Managed Umgebung Vorteile von einer modernen Programmiersprache wie C#: Hoher Abstraktionsgrad Objektorientierung Vererbung, Interfaces, Exception-Handling und Events Gute Portierbarkeit static class Program { [STAThread] static void Main() { Component tc2 = new Component("Komp 2"); Component tc4 = new Component("Komp 4"); tc2.endevent += tc4.startevent; ThreadPool.QueueUserWorkItem(new WaitCallback(tc2.execute), tc2); } } Echtzeit 2010 Entwicklung einer echtzeitfähigen CLI-Laufzeitumgebung für den Einsatz in der Automatisierungstechnik 8

9 Problem Zeit in µs Messung 1 Messung 2 Messung 3 Abbildung: 5000 Methodenaufrufe Echtzeit 2010 Entwicklung einer echtzeitfähigen CLI-Laufzeitumgebung für den Einsatz in der Automatisierungstechnik 9

10 Gliederung 1 Motivation 2 MonoVM 3 Prä-JIT 4 Trampoline 5 Ausblick Echtzeit 2010 Entwicklung einer echtzeitfähigen CLI-Laufzeitumgebung für den Einsatz in der Automatisierungstechnik 10

11 Vorteile Am weitesten verbreitet unter den freien Implementierungen Größter Funktionsumfang unter den freien Implementierungen Debugger vorhanden Quellcode verfügbar Steht unter GPL Echtzeit 2010 Entwicklung einer echtzeitfähigen CLI-Laufzeitumgebung für den Einsatz in der Automatisierungstechnik 11

12 Probleme Nichtdeterminismen durch die VM Just In Time-Compilier Garbage Collector Trampoline late-binding-prinzip Dynamische Sprachfeatures Nicht echtzeitfähige Bibliotheken? Echtzeit 2010 Entwicklung einer echtzeitfähigen CLI-Laufzeitumgebung für den Einsatz in der Automatisierungstechnik 12

13 Just In Time-Compiler Just In Time-Compiler: Code zur Laufzeit übersetzt Cache für bereits übersetzten Code Ausführung von Code dauert unterschiedlich lange Verwendung von Trampolines Echtzeit 2010 Entwicklung einer echtzeitfähigen CLI-Laufzeitumgebung für den Einsatz in der Automatisierungstechnik 13

14 Gliederung 1 Motivation 2 MonoVM 3 Prä-JIT 4 Trampoline 5 Ausblick Echtzeit 2010 Entwicklung einer echtzeitfähigen CLI-Laufzeitumgebung für den Einsatz in der Automatisierungstechnik 14

15 Prä-JIT-Compilierung Idee: JIT auf alle Methoden schon beim Start anwenden Ergebnisse der JIT-Compilierung im JIT-Cache speichern Vorteile: Generischer Ansatz Keine Veränderung am Compiler notwendig Wiederverwendung von Mono-Infrastruktur Alle Compileroptimierungen möglich Echtzeit 2010 Entwicklung einer echtzeitfähigen CLI-Laufzeitumgebung für den Einsatz in der Automatisierungstechnik 15

16 PräJIT funktionsweise #: mono --pjc programm.exe Mono-VM programm.exe Main () { call method1 call method2 call method1 } method1 () { } method2 () { } Assembly laden: progamm.exe Prä-JIT-Compilierung: programm.exe Methodenliste: Main() method1 () method2 () Ausführung mit Mono-VM: programm.exe Mono JIT-Compiler Mono JIT-Compiler Einfügen Lookup Main() Cache-Hit Main() Lookup method1() Cache-Hit method1() Mono JIT-Cache: - Main() - method1 () - method2 () - CIL-Code - Nativer Code - Erweiterung der Mono-VM Echtzeit 2010 Entwicklung einer echtzeitfähigen CLI-Laufzeitumgebung für den Einsatz in der Automatisierungstechnik 16

17 Testergebnisse Zeit in µs Messung 1 Messung 2 Messung 3 Abbildung: 5000 Methodenaufrufe mit PräJIT Echtzeit 2010 Entwicklung einer echtzeitfähigen CLI-Laufzeitumgebung für den Einsatz in der Automatisierungstechnik 17

18 Gliederung 1 Motivation 2 MonoVM 3 Prä-JIT 4 Trampoline 5 Ausblick Echtzeit 2010 Entwicklung einer echtzeitfähigen CLI-Laufzeitumgebung für den Einsatz in der Automatisierungstechnik 18

19 Trampoline Trampoline: Kleine Mono-VM Funktionen Werden zwischen Aufruf und Call-Ziel eingeschoben Bereiten den Aufruf vor Können die ursprüngliche Call-Anweisung patchen Funktionsaufrufe benötigen dadurch unterschiedlich lange Echtzeit 2010 Entwicklung einer echtzeitfähigen CLI-Laufzeitumgebung für den Einsatz in der Automatisierungstechnik 19

20 programm.cs Main () { methode1() } methode1 () { } 1. programm.exe 2. Mono-VM Main-Methode (a) _main : call 0x123 Main-Methode (b) Trampoline Tramp 0x123 JIT (_methode1) patchcalsite(0xabc); call 0xabc 0xabc 6. ret _Main : call _methode1 _methode1 : _main : call 0xabc C#-Code CIL-Code nativer Code Echtzeit 2010 Entwicklung einer echtzeitfähigen CLI-Laufzeitumgebung für den Einsatz in der Automatisierungstechnik 20

21 Prä-Patch Zeit in µs Messung 1 Messung 2 Messung 3 Abbildung: 5000 Methodenaufrufe mit PräPatch und PräJIT Echtzeit 2010 Entwicklung einer echtzeitfähigen CLI-Laufzeitumgebung für den Einsatz in der Automatisierungstechnik 21

22 Gliederung 1 Motivation 2 MonoVM 3 Prä-JIT 4 Trampoline 5 Ausblick Echtzeit 2010 Entwicklung einer echtzeitfähigen CLI-Laufzeitumgebung für den Einsatz in der Automatisierungstechnik 22

23 Zusammenfassung Moderne Programmiersprache bietet wesentliche Vorteile JIT einer der größten Nichtdeterminismus-Quellen Durch Prä-JIT lässt sich diese Quelle vermeiden Aber: Höhere Startzeit Echtzeit 2010 Entwicklung einer echtzeitfähigen CLI-Laufzeitumgebung für den Einsatz in der Automatisierungstechnik 23

24 Ausblick Laufzeit-Patchen Komponentenbasiertes Programmiermodell (Ähnlich EN61499) Garbage Collector Late binding -Prinzip Echtzeit 2010 Entwicklung einer echtzeitfähigen CLI-Laufzeitumgebung für den Einsatz in der Automatisierungstechnik 24

25 FRAGEN? Echtzeit 2010 Entwicklung einer echtzeitfähigen CLI-Laufzeitumgebung für den Einsatz in der Automatisierungstechnik 25