Prozesssteuerung & Robotik Real Time · Gliederung Überblick über .NET Analyse der...

Prozesssteuerung & RobotikReal Time .NET

Sebastian Klose

7. Januar 2009

Gliederung

■ Überblick über .NET

■ Analyse der Echtzeittauglichkeit

□ Geschwindigkeit

□ Speicherverwaltung

□ Hardwarezugriff

□ Timing

■ Echtzeit mit dem Compact/Micro Framework

■ RT.NET

□ Geschwindigkeit

□ Speicherverwaltung

□ Hardwarezugriff

□ Timing

□ EvaluationReal Time .NET | Sebastian Klose | 7. Januar 2009

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Überblick über .NET

Real Time .NET | Sebastian Klose | 7. Januar 2009

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Überblick über .NET

DesktopFramework

Compact Framework

MicroFramework

Mono

Plattform Windows Desktop + Server

Windows Mobile/CE, Xbox

32 Bit CPUs (auch ohne MMU)

Windows,Linux, Mac OS X, BSD, Solaris, iPhone, Wii

Version 3.5 SP1 3.5 3.0 2.0.1

Größe 250MB 7MB 200KB 70MB

Ausführung JIT JIT Interpreter JIT

GC compacting, generational Mark & Sweep

compacting, generational Mark & Sweep

Mark & Sweep

compacting, generational Mark & Sweep


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.NET Micro Framework


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.NET Micro Framework


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Analyse der Echtzeittauglichkeit


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Echtzeittauglichkeit - Geschwindigkeit

■ Untersucht von Chris Tacke auf Basis vom CF 2.0

■ Veröffentlicht im MSDN Magazine 2006


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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;

}

int gpio3 = (1 << 3);

PhysicalAddressPointer pap;pap = newPhysicalAddressPointer(0x40E00000, 0x6B);

// make an GPIO outputint gpdr = pap.ReadInt32(0x10);pap.WriteInt32(gpdr | gpio3);

while(true){// turn it offpap.WriteInt32(gpio3, 0x24);// turn it onpap.WriteInt32(gpio3, 0x18);

}

// toggle GPIO 3int gpio3 = (1 << 3);

// map all of GPIO spacePhysicalAddressPointer pap;pap = newPhysicalAddressPointer(0x40E00000, 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: 110nsPeriodenlänge: 740ns

Periodenlänge: 110ns

C C# C#9

Micro Framework: „Performance remains an area of

ongoing research”


■ Michael H. Lutz von Siemens Health Services

■ Messungen auf Basis von .NET 1.0


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Echtzeittauglichkeit -Speicherverwaltung

■ 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


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Echtzeittauglichkeit - Hardwarezugriff

■ 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


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Hardwarezugriff Micro Framework


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);}

}

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Echtzeittauglichkeit - Timing

■ 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

□ 14.318.180 Counts/s auf diesem Laptop (~0,07µs)

Alle Timer geben keine Garantie für Einhaltung des Intervalls


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Echtzeittauglichkeit - Timing

■ 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


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Echtzeit mit Microsoft .NET


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Echtzeit mit dem .NET Framework

■ 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


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Real Time .NET


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RT.NET - Überblick

■ 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 Löwisund Andreas Rasche


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RT.NET - Ziele

■ 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


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RT.NET - Geschwindigkeit


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RT.NET – Speicherverwaltung

■ 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


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RT.NET - Timing


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;};

}

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RT.NET - Timing


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;}

}

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RT.NET - Hardwarezugriff


struct Port {[MemoryAlias(0xffb2)] static byte DataRegister;

[PortAlias(0xffa0)]static byte OutputPort;

}

[InterruptHandler] static void Irq0H() {}

H8_3297.Irq0 = Irq0H;

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RT.NET - Evaluation


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RT.NET - Evaluation


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Referenzen

[1] An Overview of the .Net Compact Framework Garbage

Collector - Steven Pratschner

http://blogs.msdn.com/stevenpr/archive/2004/07/26/197254.aspx

[2] Garbage Collection: Automatic Memory Management in the

Microsoft .NET Framework - Jeffrey Richter

http://msdn.microsoft.com/de-de/magazine/bb985010(en-us).aspx

[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 2.0 - Chris Tacke


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http://blogs.msdn.com/stevenpr/archive/2004/07/26/197254.aspx






Referenzen

[6] Comparing the Timer Classes in the .NET Framework Class

Library - Alex Calvo

http://msdn.microsoft.com/en-us/magazine/cc164015.aspx

[7] The .NET Micro Framework

http://informatix.miloush.net/microframework/WhatIs.aspx

[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.


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http://informatix.miloush.net/microframework/WhatIs.aspx

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