Java實(shí)時(shí)性及嵌入式實(shí)時(shí)Java處理器研究.pdf

1、近年來(lái)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(gè)方面，這對(duì)嵌入式系統(tǒng)的性能及開(kāi)發(fā)效率也提出了更高的要求。和桌面系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)相比，嵌入式軟件開(kāi)發(fā)普遍還使用比較傳統(tǒng)的C／C++甚至匯編語(yǔ)言進(jìn)行，難以適應(yīng)嵌入式系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，因此需要新的開(kāi)發(fā)方法和開(kāi)發(fā)手段來(lái)解決。Java語(yǔ)言的面向?qū)ο?、跨平臺(tái)、語(yǔ)言級(jí)并發(fā)支持、安全等特性不僅使它在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，也引起了嵌入式領(lǐng)域研究人員的高度重視，他們希望能將Java語(yǔ)言改造成嵌入式及實(shí)時(shí)

2、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的主流語(yǔ)言來(lái)提高開(kāi)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(shí)時(shí)系統(tǒng)，傳統(tǒng)Java技術(shù)應(yīng)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(jī)是在運(yùn)行中對(duì)引用到的類進(jìn)行動(dòng)態(tài)裝載、解析和連接，影響了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性；垃圾收集器(GC)的自動(dòng)運(yùn)行導(dǎo)致了任務(wù)執(zhí)行時(shí)間的不可預(yù)測(cè)性；另外，Java語(yǔ)言規(guī)范和Java虛擬機(jī)規(guī)范討論線程調(diào)度的地方非?；\統(tǒng)，導(dǎo)致在不同虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)中線程調(diào)度特性表現(xiàn)不一致。針對(duì)傳統(tǒng)Java技術(shù)在實(shí)時(shí)方面的不

3、足，Sun公司聯(lián)合IBM、Microware等公司制定了實(shí)時(shí)Java規(guī)范(RTSJ)，為實(shí)時(shí)Java平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)提供了參考。實(shí)時(shí)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(gè)影響實(shí)時(shí)性的方面進(jìn)行了擴(kuò)展，使得Java能夠適用于實(shí)時(shí)系統(tǒng)。 隨著實(shí)時(shí)Java規(guī)范的推出，如何實(shí)現(xiàn)適用于嵌入式系統(tǒng)的高效實(shí)時(shí)Java平臺(tái)就成為了研究熱點(diǎn)。目前，常見(jiàn)的實(shí)時(shí)Java平臺(tái)實(shí)現(xiàn)方式有解釋方式(在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS之上用軟件方式來(lái)

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(jī)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(lái)提高整體性能)；硬件翻譯(用硬件單元把字節(jié)碼實(shí)時(shí)翻譯成機(jī)器碼)以及Java處理器方式(字節(jié)碼直接作為機(jī)器代碼在處理器硬件上執(zhí)行)。同其它實(shí)現(xiàn)方式相比，Java處理器免除了把Java字節(jié)碼轉(zhuǎn)換為機(jī)器代碼的工作同時(shí)還可以針對(duì)Java虛擬機(jī)特點(diǎn)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(diǎn)，所以更適合用于資源受限的嵌入式設(shè)備。 目前國(guó)外已有一些針對(duì)嵌入式實(shí)時(shí)Java處理器的研究，如JOP、aJ-80、aJ-100及FemtoJava等。國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)也有過(guò)一些針對(duì)Java處理器及Java芯片的研究，如JE-Java、JCl04，但其重點(diǎn)是提高系統(tǒng)整體性能而不是實(shí)時(shí)性，一個(gè)原因也是因?yàn)楫?dāng)時(shí)實(shí)時(shí)Java規(guī)范尚未推出。 本文設(shè)計(jì)了一種能在低成本FPGA芯片中實(shí)現(xiàn)的硬實(shí)時(shí)嵌入式Java處理器HRT

6、EJ(HardReal-TimeEmbeddedJavaProcessor)，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)具有硬實(shí)時(shí)特性的嵌入式Java處理器并對(duì)實(shí)時(shí)Java規(guī)范提供有效支持。該處理器實(shí)現(xiàn)了一些特殊的硬件機(jī)制提供對(duì)實(shí)時(shí)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(guò)對(duì)實(shí)時(shí)Java規(guī)范中內(nèi)存管理的改進(jìn)，簡(jiǎn)化了應(yīng)用程序員的開(kāi)發(fā)接口。同時(shí)，本文還提出了針對(duì)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(shí)時(shí)性的操