Skriptsprachen wie Lua sind verhältnismäßig schnell erlernbar, man muss keinen dedizierten Compiler nutzen und der Quellcode ist plattformunabhängig – er kann also auf Windows, Mac OS X und Linux zum Einsatz kommen. Die gewollte Schlichtheit lässt sich auch am Sprachumfang erkennen: Während C++ rund 2000 Sprachelememente umfasst und C etwa 850, verfügt  Lua gerade einmal über 250 Befehle, mit denen es sich effizient programmieren lässt. Zugegeben: Hinsichtlich der Performance hinkt Lua gegenüber Programmiersprachen wie C und C++ hinterher; dieser Geschwindigkeitsnachteil lässt sich allerdings mit Hilfe geeigneter DLL- und Echtzeit-Bibliotheken kompensieren.

Bild 1: Mithilfe einfacher Skriptbefehle lassen sich Lua-Befehle via RPC auf Echtzeitmaschinen instanziieren.

© Profimatics/eclipse.org

Was ist nun das Besondere an Skriptsprachen wie Lua für die Programmierung von Echtzeit-Applikationen im Umfeld der industriellen Automatisierung? Um diese Frage zu beantworten, lohnt ein Blick auf eine mögliche ­Kombination aus Lua und einem ­Echtzeit-Betriebssystem, wie das beispielsweise beim Entwicklungspaket RT-Lua der Firma Profimatics aus Barmstedt der Fall ist. Dort ist mittels vorbereiteter Schnittstellen ein direkter Zugriff auf die Intime-Echtzeit-Betriebssystem­umgebung von Tenasys möglich; dies erlaubt die unmittelbare Nutzung der Realtime-Funktionalität aus einer Skriptsprache heraus (Bild 1). Dazu zählen unter anderem die ­Interprozess-Kommunikation, der Echtzeit-Zugriff auf die vorhandene Hardware (I/O, PCI-Bus etc.) und auch die Netzwerk-Funktionen (TCP/IP etc.).

Die Verbindung zwischen Skriptsprache und Echtzeit-Plattform kann auf mehreren Wegen erfolgen. Ein häufiger Ansatz ist eine RPC-Verbindung, im Normalfall auf Basis des TCP/IP-Protokolls. Damit greift der Entwickler mit Hilfe standardisierter Schnittstellen auf die Echtzeit-Umgebung zu, ohne spezielle beziehungsweise proprietäre Pro­tokolle nutzen zu müssen. Dieser RPC-basierte Zugriff auf eine Realtime-OS-Maschine ist aber auch in Form einer Client-Server-Implementierung realisierbar. Damit können Lua-Skriptbefehle ­direkt auf dem Server ausgeführt, Variablen angelegt und neue Funktionen auf den Server geladen werden. Darüber hi­naus ist die RPC-Bibliothek von Intime ebenso für andere Betriebssysteme wie zum Beispiel Linux und Mac OS X verfügbar. So lassen sich auch von diesen Betriebssystemen aus Funktionen in Echtzeit auf einem entsprechenden Laufzeitsystem ausführen.

Lua für Rapid Prototyping und Testen

Bild 2: Der Code-Ausschnitt zeigt eine Funktion, die eine CAN-Nachricht verschickt, sobald der Speicherbereich ‘can_mem’ eingeblendet wurde.

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Vor diesem Hintergrund kann die Skriptsprache Lua nun außerdem für das Rapid Prototyping und Testen von Echtzeit-Systemen zum Einsatz kommen, womit beispielsweise die Inbetriebnahme spezieller Realtime-Hardware mit wenigen Skriptkommandos möglich ist. Hierfür müssen nicht einmal spezielle Treiber eingebunden werden, deren Programmierung standardmäßig in C oder C++ erfolgt. Umgesetzt wird dies beispielsweise bereits im Umfeld von medizinischen Anwendungen, bei denen der SJA1000-CAN-Controller Verwendung findet. Der Code-Ausschnitt in Bild 2 soll zeigen, wie einfach es ist, die Register eines CAN-Controller-Chips zu beschreiben, um eine CAN-Message zu verschicken.

Dieses treiberlose Ansprechen von Hardware mit Hilfe von Lua ist möglich, weil unter Intime privilegierte Befehle nativ ausführbar sind, die ansonsten unter Windows nur im Ring 0 – also auf der Kernel-Ebene – zur Verfügung stehen. Um diese Befehle besser verfügbar machen zu können, lassen sich diese in Lua in einer Bibliothek zusammenfassen. Dazu gehören beispielsweise Aufrufe für das Lesen und Schreiben von IO-Ports, für direkte Zugriffe auf PCI-Komponenten und das Einblenden von Speicherbereichen einer PCI-Karte.

Ideales Einsatzfeld – die Robotersteuerung

Lua lässt sich darüber hinaus in bestehende Anwendungen integrieren, so wie das beispielsweise Bosch Rexroth mit Indra Motion MLC – einem integrierten Engineering- und Laufzeitsystem für Logik-, Motion-, Robotik- und Hydraulik-Aufgaben – vollzogen hat.

RT-Lua besteht aus modularen Software-Komponenten, die keine Installation erfordern und jeweils der Größe eines herkömmlichen JPEGs entsprechen.

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Damit sind komplexe Bewegungen mit einfachen Skriptbefehlen ausführbar, was eine vereinfachte Programmierung von Robotern und anderen Maschinen ohne SPS-Kenntnisse erlaubt. Hierfür nutzt Indra Motion MLC zwei Eigenschaften von Lua: Auf der einen Seite wird Lua mit den bestehenden Funk­tionalitäten des Zielsystems erweitert (extensible), auf der anderen Seite wird die Skriptsprache in die Applikation eingebunden (embeddable) und dem Benutzer zur Verfügung gestellt.
Interessant ist Lua nicht zuletzt für C- und C++-Entwickler, da sich bestehende Funktionen oder Anwendungen mittels geeigneter Tools mit einer Lua-API versehen lassen. Dabei kommen Wrapper zum Einsatz, mit denen C/C++-Funktionen auf ihre Echtzeit-Tauglichkeit hin überprüft werden können. Das spart den Aufwand eines eigenen Test-Framework, da sich das Debuggen dann mit Hilfe von Lua-Skriptbefehlen erledigen lässt. In diesem Kontext kann man Anwendungen interaktiv entwickeln; einzelne Befehle lassen sich innerhalb der Lua-­Konsole eingeben, die dann in der Echtzeit-Umgebung in Byte-Code übersetzt und ausgeführt werden.

Komfortabler lassen sich Lua-Echtzeit-Anwendungen allerdings inner-halb der EclipseLDT-Entwicklungs­umgebung debuggen. Hier können Entwickler wie gewohnt Breakpoints setzen, Variablen ansehen, diese ver­ändern und noch mehr. Die Kommu­nikationen zwischen EclipseLDT und dem Debugger ist per TCP/IP-Verbindung implementiert.