Automatische Instrumentierung durch Zusatztools

In der Übersicht und im Detail: Der Profiler zeigt genau, welcher Code tatsächlich ausgeführt wurde.

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Werden die Messungen dagegen mit Zusatztools per Mausklick durchgeführt, dann können sie regelmäßig bereits während der Applikationsentwicklung erfolgen. Entsprechende Tools sind nicht nur für Hochsprachen wie C++ oder C# verfügbar, sondern auch für IEC-61131-3-Code im Codesys Development System. Der Codesys Profiler macht seinem Namen alle Ehre: Er untersucht den ‚Fall‘ mit unterschiedlichen Methoden und liefert so ohne manuellen Aufwand wertvolle Erkenntnisse in jeder Projektphase.

Mit der einfachsten Methode, der ‚Instrumentierung‘, wird zusätzlicher Code in die zu messenden Bausteine eingeschleust – genau wie beschrieben, aber eben automatisch. Das Resultat der Messung gibt dem Applikateur ein detailliertes Bild über Ausführungsdauer, Anteil am Gesamtprojekt sowie Aufruf-Häufigkeit eines jeden Bausteins. Weil sofort sichtbar ist, welche Bausteine für die Gesamtleistung kritisch sind, kann er sich bei der Optimierung genau auf diese Objekte konzentrieren. Die Messung der längsten Zykluszeit im Betrachtungszeitraum gibt Aufschluss über sporadisch auftretende Ausreißer. Mit weiteren Konfigurationsmöglichkeiten lässt sich die Messung dynamisch über boolesche Variablen starten. Dabei können der erste Initialisierungszyklus beziehungsweise einzelne Bausteine bewusst in die Messung ein- oder davon ausgeschlossen werden, der Anteil der Laufzeit durch Bibliotheksbausteine lässt sich ebenfalls berücksichtigen.

Die Momentaufnahme der Abarbeitungszeit sowie der Aufrufhäufigkeit wird pro Baustein angezeigt und lässt sich für eine spätere Nachverfolgung abspeichern.

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Solch eine instrumentierte Messung geht allerdings zu Lasten der Applikation, sprich, der Ausführungsdauer. Die zusätzliche Last kann im Einzelfall auch dazu führen, dass der Watchdog anspringt, dass also die Taskzeitüberwachung einen Fehler meldet. Gerade um die erwähnten Ausreißer zu erkennen, führt daran dennoch kein Weg vorbei. Es hat sich bewährt, die Laufzeitmessung zum Beispiel am Ende eines jeden Arbeitstages vorzunehmen, den Verlauf kontinuierlich zu beobachten und gegebenenfalls sprunghafte Veränderungen einzelner Bausteine sofort zu begutachten. Mit dem Abschalten des Profilers nach der Messung verschwindet der zusätzliche Code in jedem Fall, und damit auch seine Auswirkungen.

Sampling und Code-Abdeckung

Die Profiler-Watchliste: Exakte Infos für die schnelle Messung zwischendurch

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Um langfristige Effekte mit deutlich geringerem Einfluss des Messcodes festzustellen, eignet sich das Sampling der Applikation. Dazu greift der Profiler in definierbaren Intervallen quasi von außen in den Programmablauf ein und ermittelt stichprobenartig den aktuellen Aufrufstapel (Call Stack), sprich den gerade abgearbeiteten Baustein, und von wem er aufgerufen wurde. Durch eine zunehmende Anzahl solcher Stichproben schärft sich der Eindruck davon, welche Bausteine mehr Zeit beanspruchen als andere. Der daraus errechnete statistische Mittelwert wird also umso genauer, je länger die  Messung läuft.

Wie lässt sich so eine Messung in einem Tool wie Codesys realisieren? Durch 
Nutzung der Multicore-Technologie: Eine vom Profiler generierte Samplingtask sowie dazugehöriger Messcode laufen dazu in einer eigenen Taskgruppe auf einem separaten CPU-Kern. Dieser Code tastet die Ausführung der eigentlichen Applikation in regelmäßigen Intervallen ab und misst daraus die Laufzeit. Dabei wird der laufende Applikationscode nicht verändert, auch sind die entstehenden Unterbrechungen der Applikation gering. Diese Messmethode wird keinen Watchdog auslösen. Ausreißer kann das Sampling allerdings nicht erfassen.

Eine zusätzliche Methode im Codesys Profiler liefert ebenfalls wertvolle Fakten zur Applikation: Mit der Überprüfung der Code-Abdeckung zeigt der Profiler die Code-Zeilen beziehungsweise Netzwerke an, die während der Messung durchlaufen werden. Der Anwender kann von der Ansicht auf das gesamte Projekt in einzelne Bausteine springen und das Ergebnis im Quellcode überblicken. Diese Information ist bei der Inbetriebnahme sowie beim Testen der Applikation sehr hilfreich und gibt Hinweise auf Fragen wie diese:

• Wurden alle Betriebsmodi bereits durchlaufen?
• Welcher Anteil des Codes ist verantwortlich für die Laufzeit des getesteten Betriebsmodus?
• Welchen Teil der Applikation muss ich noch gezielt testen oder in Betrieb nehmen

Übrigens lässt sich die Qualitätssicherung von Bausteinen mit zusätzlichen Tools zur Testautomatisierung wie dem Codesys Test Manager sehr gut dokumentieren.

Die Anwendung

Roland Wagner ist Head of Product Marketing bei Codesys.

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Damit eine Messung im Codesys Development System vorgenommen werden kann, muss der Profiler zunächst installiert sein. Im Codesys Store steht ein entsprechendes Add-on-Package zur Verfügung, das zusammen mit vier anderen Tools als Jahresabonnement lizenziert wird. Zur Messung fügt der Applikationsprogrammierer den Profiler als Objekt in den Projektbaum ein und konfiguriert die Messmethode und deren Parameter. Mit dem Download der Applikation auf die Steuerung wird die Messung automatisch gestartet. Als Ergebnis werden alle ausgeführten Objekte sofort in verschiedenen Ansichten angezeigt: Hierarchisch gemäß dem Aufrufbaum, als Liste sortierbar nach unterschiedlichen Kriterien sowie in einer umgekehrten Darstellung des Aufrufbaums zur Rückverfolgung der Aufrufkette. Aus der Liste kann der Anwender direkt in die einzelnen Bausteine springen, um dort Optimierungen im Code vorzunehmen.

Zusätzlich steht eine Übersicht mit den Basisinfos zur Messung zur Verfügung. Wird das Mess-Ergebnis als Momentaufnahme im Projekt abgespeichert, so kann der Programmierer eine Dokumentation des Laufzeitverhaltens vornehmen und später dessen Verlauf nachvollziehen. Damit fällt es dann leicht, Sprünge in einzelnen Objekten sowie deren Ursachen nachzuverfolgen beziehungsweise zu beheben. Und weil es manchmal auch ausreicht, lediglich einen oder mehrere einzelne Bausteine zu überwachen, bringt der Profiler noch eine Art ‚Echtzeit-Ansicht‘ mit: Zieht der Anwender während der Programmausführung einen Baustein in die Profiler-Watchliste, so sieht er darin sofort dessen Ausführungszeit zusammen mit statistischen Informationen.