Java實時性及嵌入式實時Java處理器研究.pdf

1、近年來嵌入式系統(tǒng)發(fā)展極其迅速，正逐步滲透于人類生活的各個方面，這對嵌入式系統(tǒng)的性能及開發(fā)效率也提出了更高的要求。和桌面系統(tǒng)的軟件開發(fā)相比，嵌入式軟件開發(fā)普遍還使用比較傳統(tǒng)的C／C++甚至匯編語言進行，難以適應嵌入式系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，因此需要新的開發(fā)方法和開發(fā)手段來解決。Java語言的面向?qū)ο蟆⒖缙脚_、語言級并發(fā)支持、安全等特性不僅使它在互聯(lián)網(wǎng)領域得到廣泛應用，也引起了嵌入式領域研究人員的高度重視，他們希望能將Java語言改造成嵌入式及實時

2、系統(tǒng)開發(fā)的主流語言來提高開發(fā)效率及增加系統(tǒng)安全性。 由于嵌入式系統(tǒng)多數(shù)為實時系統(tǒng)，傳統(tǒng)Java技術(shù)應用于嵌入式系統(tǒng)的主要不足之處表現(xiàn)為：由于Java虛擬機是在運行中對引用到的類進行動態(tài)裝載、解析和連接，影響了系統(tǒng)的實時性；垃圾收集器(GC)的自動運行導致了任務執(zhí)行時間的不可預測性；另外，Java語言規(guī)范和Java虛擬機規(guī)范討論線程調(diào)度的地方非常籠統(tǒng)，導致在不同虛擬機實現(xiàn)中線程調(diào)度特性表現(xiàn)不一致。針對傳統(tǒng)Java技術(shù)在實時方面的不

3、足，Sun公司聯(lián)合IBM、Microware等公司制定了實時Java規(guī)范(RTSJ)，為實時Java平臺的實現(xiàn)提供了參考。實時Java規(guī)范在內(nèi)存管理、線程調(diào)度、異步事件處理、異步控制轉(zhuǎn)移等多個影響實時性的方面進行了擴展，使得Java能夠適用于實時系統(tǒng)。 隨著實時Java規(guī)范的推出，如何實現(xiàn)適用于嵌入式系統(tǒng)的高效實時Java平臺就成為了研究熱點。目前，常見的實時Java平臺實現(xiàn)方式有解釋方式(在實時操作系統(tǒng)RTOS之上用軟件方式來

4、解釋執(zhí)行Java字節(jié)碼)；提前編譯(字節(jié)碼被提前編譯生成機器碼或中間代碼，如C)；硬件加速(用硬件方式執(zhí)行一部分常用字節(jié)碼來提高整體性能)；硬件翻譯(用硬件單元把字節(jié)碼實時翻譯成機器碼)以及Java處理器方式(字節(jié)碼直接作為機器代碼在處理器硬件上執(zhí)行)。同其它實現(xiàn)方式相比，Java處理器免除了把Java字節(jié)碼轉(zhuǎn)換為機器代碼的工作同時還可以針對Java虛擬機特點提供特殊的硬件支持。因此具有能夠直接硬件執(zhí)行Java字節(jié)碼、執(zhí)行效率高、內(nèi)存占

5、用少、功耗低等特點，所以更適合用于資源受限的嵌入式設備。 目前國外已有一些針對嵌入式實時Java處理器的研究，如JOP、aJ-80、aJ-100及FemtoJava等。國內(nèi)研究機構(gòu)也有過一些針對Java處理器及Java芯片的研究，如JE-Java、JCl04，但其重點是提高系統(tǒng)整體性能而不是實時性，一個原因也是因為當時實時Java規(guī)范尚未推出。 本文設計了一種能在低成本FPGA芯片中實現(xiàn)的硬實時嵌入式Java處理器HRT

6、EJ(HardReal-TimeEmbeddedJavaProcessor)，目標是實現(xiàn)具有硬實時特性的嵌入式Java處理器并對實時Java規(guī)范提供有效支持。該處理器實現(xiàn)了一些特殊的硬件機制提供對實時Java規(guī)范中異步傳輸控制、線程管理和調(diào)度、同步與共享、以及內(nèi)存管理的支持。并通過對實時Java規(guī)范中內(nèi)存管理的改進，簡化了應用程序員的開發(fā)接口。同時，本文還提出了針對JavaClass文件的優(yōu)化方法，根據(jù)該優(yōu)化方法，所有影響系統(tǒng)實時性的操