Java 扮演嵌入式应用开发主角

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Java 扮演嵌入式应用开发主角
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来自：计算机世界    建苗
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& d' t+ v- s9 a* a7 }4 G1 l    嵌入式 Java 会在下一代移动电话、智能卡、无线设备、游戏装置及其他许多嵌入式应用中扮演重要角色，关键在于选择哪一种实现方法。
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" z0 Z8 @- [: t% J. D    Java 自从推出以来一直备受关注，不过在嵌入式系统设计师看来，其性能并不能令人满意。运行 Java 虚拟机（ JVM ）解释 Java 字节码这种方式对大多数嵌入式应用来说占用空间过多，运行速度过慢。不过 Sun 的 Java 2 Micro Edition （ J2ME ）改变了这种状况。
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    对嵌入式系统设计师来说， Java 有许多优点。作为一门编程语言， Java 允许面向对象编程，又没有 C++ 中存在的严重问题。例如， Java 允许类继承，但不允许来自多个父类，这就排除了产生混淆的可能；同样， Java 防止了 C++ 定义运算符时允许出现的不确定性。 Java 运行时环境还提供了有用属性，它通过先检查 JVM 中的代码然后再执行来确保应用程序不会相互干扰，以及整个系统不会崩溃，如果代码试图改变系统的核心行为，它就无法运行。 Java 提供的内存管理功能使得编程人员不必分配及释放内存，避免了内存泄露的可能，它还能通过垃圾收集方法，自动释放闲置内存。运行时环境甚至可以通过整合核心类库来简化程序分配。

    此外， Java 在业界得到了广泛支持，这意味着有众多资源可以利用，包括小应用程序和经验丰富的编程人员，从而每次编写新应用程序无需重复性工作。
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8 f: J" s# }' M    但在上述这些优点之外， Java 用于嵌入式开发的问题在于，大多数嵌入式应用面临 Java 没有处理好的两大约束：没有足够的空间和时间。

    Java 开发的时间和空间约束
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3 Z" C" ~* @$ I2 _7 T    之所以会有时间上的约束，是嵌入式系统通常必须在短时间内对外部事件做出响应，如果系统在下一个事件出现前没有处理好前一个事件，就无法完成任务。

7 N' a, m' z$ W) N5 j2 d    时间上的约束还意味着需要确定性。设计师依靠软件元素，在已知或者有限的时间内完成各自的任务，本身没有时间限制的任务（如等待循环）在执行时间攸关的任务时，能够暂停挂起。

    嵌入式开发的空间约束来自对成本和便携性的需求。设计师需要尽量少用内存，往往使得设计受微控制器的片上内存资源的制约。但这也有助于降低功耗，这是电池供电的便携系统所考虑的一个重要因素。
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    在这些时间和空间的约束下 Java 很难正常工作。 Java 软件环境要与操作系统协同工作，并使用 Java 虚拟机把 Java 字节码转换成系统处理器的本机语言。它还需要相当大的类库，作为核心系统的一部分。这两种因素大大增加了对系统内存的需求。

    Java 的解释码运行起来本身就不如编译码快，这样一来，系统更难满足实时约束条件了。速度更快的处理器或许能帮上忙，但功耗因素往往使得嵌入式系统无法使用更快的处理器。就算系统足够快， Java 的垃圾收集算法也没有时间限制、不可中断，就不可能获得确定性。

: M2 N0 h7 J( d- j" c/ D8 h6 j    J2ME 定义两类 Java

" W+ G- Q2 r* a- B4 a    对于 Java 在嵌入式开发中遇到的问题， J2ME 可以解决其中的一部分。办法是缩减类库大小，并且改变垃圾收集算法。 J2ME 定义了两类 Java ：连接设备配置（ CDC ）和连接有限设备配置（ CLDC ），让 Java 得以适用于诸多嵌入式系统，如下表所示。这些 Java 取代了较旧的嵌入式 Java ，而旧版本实际上是用于定制应用的非标准版本的 Java 。

1 V: a1 U$ K. s- o3 u    CDC 是一种功能齐全的 Java ，面向配有网络连接、 32 位处理器和供 Java 平台使用的 2MB 内存的设备。这个版本的 Java 允许设备以类似桌面机的方式，下载及运行通用的小应用程序。 PDA 、家用电器和汽车导航系统就是适合的目标应用。

    CLDC 是一种精简版的 Java ，面向运行时环境更加定制的应用。 CLDC 并不允许运行通用小应用程序，而是要求 Java 程序符合设备的约束条件。这样一来， Java“ 编写一次、到处运行 ” 的优势也就无从谈起，不过它仍保留了 Java 编程的其他优点。 CLDC 及其 K 虚拟机需要 160KB 的内存和 16MHz 的 16 位处理器。

% o# ^2 \& x- e. b6 w- n" _3 U    Sun 利用这两种配置，开发出了符合许多嵌入式系统设计空间约束的标准 Java 配置， Java 社区制订的实时 Java 规范使得实时和确定性问题迎刃而解。实时 Java 规范（ RTSJ ） V1.0 提供了 Java 平台的标准扩展部分，并且改动了垃圾收集算法，确保了 Java 提供许多嵌入式应用所需的确定性。

/ C  j) y! U! J" P/ `    这就只剩下原始性能问题还没有加以解决。解决办法来自行业提高 Java 执行速度的一系列方法，包括使用优化的 JVM 、执行前先把 Java 代码编译成本机码，使用及时（ JIT ）编程器以及使用硬件加速，每种方法各有优缺点。

    与普通 JVM 相比，优化的 JVM 通常可以把执行速度提高 2 ∼ 2.5 倍。不过，这种优化要针对特定处理器。提供优化的 JVM 的厂商可能还会提供优化的类库和实时操作系统，能够与 JVM 密切合作，进一步提高软件性能。

    不管有没有经过优化，使用 JVM 仍需要解释工作，这就限制了程序的执行速度。把 Java 代码编译成本机码、然后再执行可以避免这种限制。这种情况下， Java 成了类似 C++ 的另一种高级语言，限制执行速度的因素完全取决于编译器的代码效率。问题在于，与其他高级语言一样，必须在把代码植入程序内存之前，先进行这种编译，结果导致系统缺乏灵活性，无法下载升级的 Java 代码或者是新的应用程序。
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    及时编译器力求通过 “ 高速 ” 编译 Java 代码以便可以立即执行，重新获得这种灵活性。这带来了高性能和灵活性，但也增加了特定应用程序的启动时间，因为需要先开始编译。由于至少占用 100KB 的内存（加上 JVM 和应用程序所需内存），使用及时编译器还加大了对系统内存的需求。

: P) x2 C1 P1 l0 k$ f    硬件加速 Java

    为了加快 Java 执行，又避开编译或者软件 JVM 的缺点，嵌入式开发人员可以求助于硬件加速器。这种设备把 JVM 的部分或者全部任务转交给专用硬件去处理，因而性能比解释的 Java 提高了 5 ∼ 10 倍。不过，硬件加速器并不接管所有任务，主机 CPU 仍处理特别复杂或者很少使用的字节码。
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    半导体厂商采用了几种方法，通过硬件来加快 Java 的执行速度，致力于不同任务。

) C* F  D% @4 r2 o; y: c    一种是使用硬件解释器。该解释器把进来的 Java 代码的大部分转化成本机码，从而给 JVM 省去了麻烦。例如 Nazomi 的 Jstar 、 InSilicon 的 JVX 和 ARM 的 Jazelle 。大多数情况下，解释器拥有硅知识产权，这实际上扩大了处理器的指令集。

$ Y6 K$ V. |/ V* S4 Q1 W5 c    另一种方法就是使用协处理器。协处理器不仅解释字节码，还执行由此生成的机器码，让 CPU 完全得到解放。协处理器实际上是一种处理器，使用 Java 字节码作为本机机器语言。有些协处理器如 InSilicon 公司的 JVXtreme 是纯粹的协处理器，而有些协处理器如 Aurora VLSI 公司的 Espresso 和 DeCaf 可以充当协处理器或者独立处理器，这样在另一个 CPU 处理用户界面等事务时，可以处理 Java 代码。 Ajile 公司的 aJ-100 、 DCT 公司的 Lightfoot 和 Zucotto 公司的 Xpresso 都是协处理器。与解释器一样，这些协处理器往往作为用于 ASIC 或者 FPGA 实现的核心。
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    第三种方式是利用硬件及时编译器高速编译 Java 字节码。这种设备有别于硬件解释器，它不仅仅把软件从一种形式转换成另一种形式，实际上还能够编译，包括进行优化、重新安排代码执行次序等。 Parthus 公司的 MachStream 就属于这一类。

& K7 A5 a5 N3 Q4 o6 d+ S    有了这一系列加快 Java 代码执行速度的软硬件方案，嵌入式系统的 Java 性能问题似乎可以得到解决了。遗憾的是，很难预测它们会给性能带来多大幅度的提升。加速器与其他系统单元的相互关系更是加大了预测难度。 CPU 架构、可用系统内存的数量、实时操作系统（ RTOS ）、 JVM 、类库和硬件加速都可能影响系统的最终性能，甚至应用软件也会对性能产生影响。例如适用于 Internet 设备的系统软硬件配置在机顶盒里面运行起来可能会比较慢，在移动电话上就完全不适合。

    遗憾的是，嵌入式设计师没有多少工具可以帮助自己测试非传统配置的性能。最有用的工具就是系统性能测试公司开发的 SPEC JVM98 基准测试。但 SPEC JVM98 不是为了满足嵌入式系统的测试需求，而是为联网和独立的客户机开发的，并且前提是假设完全实现了 Java ，并拥有完整的桌面系统环境，而很少有嵌入式系统拥有这么丰富的资源。
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    Pendragon 软件公司的 CaffeineMark 这个基准测试在嵌入式领域颇为流行。与 Dhrystone MIPS 基准测试一样 ,CaffeineMark 也是一种人工基准测试，仅仅测试几项 Java 特性，不包括浮点运算、垃圾收集和多线程这些项目，而对这些嵌入式开发人员来说可能很重要。另外，没有标准配置可供基准测试来运行。因而，不同厂商的基准测试结果很难解读。

    对嵌入式 Java 而言，缺少测试工具问题也许不会长期存在。 EDN 嵌入式微处理器基准测试协会 (EEMBC ）已开始开发 Java 基准测试套件。 EEMBC 基准测试准备采用诸多系统测试指标，包括垃圾收集时间和确定性、 I/O 性能、中断时延、内存使用以及测试过程中的系统功耗。还会包括详细的软件执行基准测试，测试项目包括类加载时间、类方法执行、所用线程数量、每个线程所用时间、以及调用线程的时间。该协会计划在众多应用环境下进行基准测试，包括智能卡、移动电话、掌上设备、 Internet 设备和机顶盒。
; Y  v! P# g/ r    一旦这些工具准备到位，就可以根据预期应用来进行比较，从而大大方便了开发人员选择嵌入式 Java 的诸多方案、确保系统的最终性能能够达到预期。那样， Java 可以在将来的嵌入式系统开发当中扮演主角。

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真是不好意思，没有相关材料