Промышленный контроллер на АМУР MIK32

В разные периоды я тестировал свою среду разработки, компилятор и рантайм на разных МК — от STM32G030 до FPGA Altera Cyclone 4. Минимальные требования к рантайму — это 5 КБ ОЗУ и не менее 32 КБ Flash, либо 3000 LUT, если это FPGA. Мой основной тестовый стенд — это системы с относительно ограниченными ресурсами. Не 8-битные микроконтроллеры, но и не обязательно ESP32. ОЗУ от 12–20 КБ — это уровень, на базе которого можно создать настоящий ПЛК с вытесняющей многозадачностью, заменой кода на лету, RS-485 и онлайн-отладкой.

Классически я тестировал все МК на Ladder-программе, так как различные бренды — производители ПЛК часто публикуют данные выполнения дискретной логики в документации, что очень удобно для сравнения.

Методика тестирования.

Дискретная логика оценивается по среднему времени выполнения контактов и катушек в сложном ранге. Под сложным понимается ранг со множеством ветвлений: здесь, помимо обработки самих контактов, компилятор неявно вставляет дополнительные инструкции для сохранения промежуточных результатов вычисления цепей.

При разработке среды я ориентировался на Allen-Bradley, поэтому те, кто знаком с их ПО, сразу узнают знакомый дизайн — неограниченные сложные ветвления в рангах и характерный функционал.

Однако есть и отличия. Поскольку я ориентировался на языки высокого уровня (такие как ST), то создавал полноценный собственный компилятор, и встроенной поддержке сложных типов данных. Прямо в цепях Ладдера можно использовать следующие конструкции (можно делать короткие псевдонимы, аналоги #define на СИ):

Второй тип тестов - наиболее часто используемые функциональные блоки: таймеры, триггеры, счетчики.

Сам рантайм представляет собой софт-процессор (виртуальное ядро с программными регистрами R0–R32). Это обеспечивает полную абстракцию от железа и позволяет мне всего за два часа развернуть ПЛК на любом микроконтроллере. Из минусов — производительность в 3–5 раз ниже, чем у нативной программы, однако в 5–10 раз выше, чем у Lua или MicroPython (а самое главное — выполнение строго детерминировано по времени).

С точки зрения нативной части внутри МК, в которой содержатся программа ПЛК, данные, стек и прочее, представляет собой единый массив:

__attribute__((aligned(512))) uint8_t     memory[SIZE_MEMORY];

SIZE_MEMORY -  размер который можно выделить под программу для ПЛК. В данный момент, у меня единая область, нет разделения на память инструкций или данных: больше программа/меньше данных, меньше данных тогда влезет больше программа.

Из IDE прошивка попадает в МК  по UART. После сверки хешей, начинается выполнение. В цикле идет чтение программы:

dec.ui = __builtin_bswap32(*(uint32_t*)&memory[PC]);

void (*instruction_handler)(void) = (void (*)(void))cpu.instruction[dec.b[3]];

instruction_handler();

cpu.instruction - это массив указателей на обработчики.

PC - это один из 32 софт-регистров, является адресом инструкции.

Производительность

Один ранг с 40 булевыми инструкциями и шестью ветвлениями (как на скриншоте выше) выполняется за 0,5 миллисекунды. Здесь важно иметь в виду, что, помимо этих 40 инструкций, компилятор(вернее транслятор Ladder) неявно добавляет около 25 инструкций для сохранения промежуточных результатов вычислений в ветках( 3-4 инструкции на ветку ).

Время выполнения функциональных блоков:

• Таймер: 80–320 мкс.

• Счётчик: 80–390 мкс.

• Триггер: 20–120 мкс.

Максимальное значение соответствует полному циклу работы функционального блока, когда сработали все условия. Если, к примеру, таймер не активирован, то его выполнение занимает всего 20–25 мкс.

Таким образом, за цикл в 10 миллисекунд будет отработано около 10 таких сложных рангов (с учётом накладных расходов на чтение/запись портов и отправку 128 байт данных на хост по 4400 bod\sec).

Процесс онлайн мониторинга в среде, на момент работы с MIK32 еще не был готов, но сейчас это выглядит так:

Зная точное время выполнения таймеров, счётчиков и триггеров, можно легко рассчитать общее время обработки программы, если добавить в эти ранги необходимое количество указанных функциональных блоков. Так же можно рисовать, и создавать собственные функциональные блоки, добавлять их в библиотеку. Детальнее можно посмотреть в моих прошлых постах, или в этом видео чтоб не искать:

Это не коммерческая разработка, я не провожу каких то оптимизаций под конкретный микроконтроллер для производительности. Мне важнее пока легкая переносимость на разные чипы и быстрые изменения. Для этого создавал собственный компилятор - иметь завершенный полный стек, от IDE до рантайма на железе, который позволяет устанавливать и отлаживать все несколькими кликами мышки , без всяких настроек путей, каких то портов, ввода консольных команд, и прочее.