基于ST20嵌入式系統(tǒng)的Java虛擬機(jī)研究與移植

摘要：分析了開放源碼的Java虛擬機(jī)Kaffe的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)制，并針對(duì)DVB(DigitalVideoBroadcast)數(shù)字機(jī)頂盒軟件架構(gòu)中對(duì)基于Java虛擬機(jī)的MHP(MultimediaHomePlatform)中間件研發(fā)的需求，研究了將Kaffe移植到Sti5516處理器和其專用OS20操作系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，給出了相應(yīng)的移植方案。對(duì)深入了解MHP在數(shù)字機(jī)頂盒中的應(yīng)用給出了研究方向和基本思路。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；Java虛擬機(jī)；DVB；中間件

1 引言

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，電視數(shù)字化步伐加快了。從一開始的模擬電視到現(xiàn)在的數(shù)字電視，不僅大大提高了電視節(jié)目的質(zhì)量，也推動(dòng)了電視數(shù)字化的進(jìn)一步發(fā)展。在各種數(shù)字視頻廣播標(biāo)準(zhǔn)中，歐洲的DVB(Digital Video Broadcast)標(biāo)準(zhǔn)使用比較廣泛，它為在同一信道中傳輸視頻、音頻、數(shù)據(jù)提供了一種靈活、高效的方式，可以通過衛(wèi)星、電纜和地面信道傳輸高質(zhì)量的電視節(jié)目。同時(shí)基于DVB的數(shù)據(jù)廣播標(biāo)準(zhǔn)也能滿足人們對(duì)于寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的要求，如證券信息服務(wù)、電子節(jié)目、MP3音樂下載、電子郵件、網(wǎng)頁瀏覽等，在現(xiàn)代信息技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛。

圖一　數(shù)字機(jī)頂盒架構(gòu)

從圖一我們可以看到, 一個(gè)完整的數(shù)字機(jī)頂盒由硬件平臺(tái)和軟件系統(tǒng)組成，可以將其分為4層，從底向上分別為硬件、底層軟件、中間件、應(yīng)用軟件。硬件提供機(jī)頂盒的硬件平臺(tái)；底層軟件提供操作系統(tǒng)內(nèi)核以及各種硬件驅(qū)動(dòng)程序；應(yīng)用軟件包括本機(jī)存儲(chǔ)的應(yīng)用和可下載的應(yīng)用；中間件是一種將應(yīng)用程序與底層的操作系統(tǒng)、硬件細(xì)節(jié)隔離開來，使應(yīng)用不依賴于具體的硬件平臺(tái)的軟件環(huán)境。這樣用戶可以在任何廠家的硬件平臺(tái)上進(jìn)行應(yīng)用軟件開發(fā)，和應(yīng)用軟件下載。而不必介意任何底層的有關(guān)信息，保證了機(jī)頂盒的開發(fā)專業(yè)化。這種分層的思想在現(xiàn)代系統(tǒng)設(shè)計(jì)中十分常見，如大名鼎鼎的TCP/IP協(xié)議。中間件通常由各種虛擬機(jī)來構(gòu)成，如HTML虛擬機(jī)、JavaScript虛擬機(jī)、Java虛擬機(jī)^[1]等。

現(xiàn)在廣電行業(yè)傾向于DVB-MHP(多媒體家庭平臺(tái))中間件標(biāo)準(zhǔn)。DVB-MHP基于開放性的Java程序語言，具有軟硬件兼容性好、可移植成本低、二次再開發(fā)功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是一種很有發(fā)展前途的中間件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)?？梢韵嘈牛琂ava在數(shù)字視頻廣播中的應(yīng)用將越來越多，我們有必要研究Java技術(shù)核心―虛擬機(jī)，包括其結(jié)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)制及虛擬機(jī)移植到數(shù)字機(jī)頂盒平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)。本文面向采用ST（意法半導(dǎo)體公司）Sti5516芯片的數(shù)字機(jī)頂盒平臺(tái)，將基于數(shù)字電視播放(Digital Video Broadcast，DVB)的多媒體家庭平臺(tái)(Multimedia Home Platform，MHP)規(guī)范^[2]進(jìn)行中間件平臺(tái)分析，重點(diǎn)研究開放源碼的Java虛擬機(jī)---Kaffe在其中的作用和相關(guān)的移植技術(shù)。

2 平臺(tái)介紹

2.1 硬件平臺(tái)

數(shù)字機(jī)頂盒硬件平臺(tái)基于ST公司的芯片Sti5516^[3]，Sti5516芯片集成了CPU內(nèi)核ST20-C2、音/視頻MPEG-2解碼器、PAL/NTSC/SECAM編碼器等。開發(fā)板上有8MB的共享內(nèi)存和16MB的外部內(nèi)存，4MB的Flash，并采用實(shí)時(shí)處理的嵌入式操作系統(tǒng)OS20。

2.2 軟件平臺(tái)

一個(gè)典型的適用于嵌入式的Java運(yùn)行環(huán)境包括以下組件：

1．一個(gè)Java虛擬機(jī)。用來將獨(dú)立于平臺(tái)的Java字節(jié)碼解釋成目標(biāo)機(jī)本地機(jī)器碼，并執(zhí)行動(dòng)態(tài)類加載。這可以采取解釋執(zhí)行或?qū)崟r(shí)編譯執(zhí)行（JIT）的形式。兩者的不同點(diǎn)就在于字節(jié)碼的執(zhí)行速度；因?yàn)镴IT避免了重復(fù)解釋以前執(zhí)行過的程序塊。

2．一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)Java類庫集，以字節(jié)碼的形式存在。如果應(yīng)用程序并不引用任何類庫，那這些類庫就并不一定要求存在。

3．任何類庫或虛擬機(jī)所需的本地方法(JNI)。這些函數(shù)是由其它高級(jí)語言所寫，并和Java虛擬機(jī)一起預(yù)編譯，鏈接。這些函數(shù)被用來執(zhí)行處理器相關(guān)或Java無法直接實(shí)現(xiàn)的功能。

4．一個(gè)多任務(wù)操作系統(tǒng)，用來提供Java線程及線程同步機(jī)制的底層實(shí)現(xiàn)。

5．一個(gè)垃圾回收線程。垃圾回收周期運(yùn)行或當(dāng)動(dòng)態(tài)內(nèi)存池不能滿足分配請(qǐng)求時(shí)運(yùn)行，用來申明那些已經(jīng)被分配但不再被應(yīng)用程序所使用的內(nèi)存。

圖二　Kaffe架構(gòu)

如圖二虛線所示，Kaffe是一個(gè)完整的Java實(shí)現(xiàn)，它由3部分組成：遵從 Personal Java1.1規(guī)范的 Java類庫^[4]，Java1.1虛擬機(jī)和本地動(dòng)態(tài)或靜態(tài)鏈接庫。Kaffe虛擬機(jī)源碼按以下子目錄組織：

kaffe---包括了解釋器與JIT平臺(tái)無關(guān)部分，以及垃圾回收，動(dòng)態(tài)類加載和Java runtime environment其它模塊的源代碼。

config---包括了解釋器與JIT平臺(tái)相關(guān)部分。它按所支持的處理器來劃分子目錄，里面存放系統(tǒng)相關(guān)代碼。

package---Java類庫以及任何它所依賴的本地方法。

include---在子目錄中提供的本地方法的接口定義。這些接口被平臺(tái)獨(dú)立文件所需要。

3 Kaffe移植的關(guān)鍵技術(shù)及方案

經(jīng)過對(duì)Kaffe深入分析和研究，筆者已在Sti5516平臺(tái)上成功地移植了Kaffe^[5]，并依據(jù)DVB-MHP規(guī)范，結(jié)合機(jī)頂盒特定軟硬件環(huán)境要求，建立了能運(yùn)行Kaffe虛擬機(jī)的Java應(yīng)用程序運(yùn)行平臺(tái)。下面將移植工作及相應(yīng)步驟總結(jié)如下：

3.1字節(jié)碼解釋器

由于Kaffe源碼中沒有映射Java字節(jié)碼到處理器相關(guān)的匯編代碼塊，而是使用C實(shí)現(xiàn)了每個(gè)字節(jié)碼。這樣就導(dǎo)致字節(jié)碼解釋器的源代碼沒有一行是處理器相關(guān)的。這意味著移植最簡虛擬機(jī)（無JIT）將非常簡單：只需要使用交叉編譯器來編譯kaffe/kaffevm子目錄下的文件即可。

3.2內(nèi)部線程

Kaffe有它自己的內(nèi)部線程包。換句話說，它維護(hù)自己的線程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候執(zhí)行線程調(diào)度及上下文切換。為了使內(nèi)部線程包能運(yùn)行在ST20處理器架構(gòu)上, 需要在config/os20子目錄中創(chuàng)建一個(gè)threads.h文件。這個(gè)文件定義了兩個(gè)常量和四個(gè)宏。這些常量和宏被內(nèi)部線程包里處理器無關(guān)的部分代碼所使用。

Ø USE_INTERNAL_THREADS定義為ENABLE。

Ø THREADSTACKSIZE是一個(gè)常量，定義為每個(gè)線程堆棧的大小，單位bytes。

Ø THREADINIT(ctx * pContex, void (*func)())執(zhí)行新線程的上下文初始化。該線程的入口點(diǎn)被func指針?biāo)峁?/P>

Ø THREADSWITCH(ctx * pNewContext, ctx * pOldContext)執(zhí)行實(shí)際的上下文切換。

Ø THREADINFO(ctx * pContext)在Kaffe初始化期間重置整個(gè)任務(wù)控制塊。

Ø THREADFRAMES(thread * taskId, int count)返回活動(dòng)的堆棧楨個(gè)數(shù)。

3.3支持軟件

和其它大多數(shù)用C寫的程序一樣，Kaffe依賴于標(biāo)準(zhǔn)C庫里的例程。由于ST采用符合GNU規(guī)范的GCC編譯器，如strcmp()，atoi()，sin()等標(biāo)準(zhǔn)C庫函數(shù)被支持。除此之外OS20提供以下支持：

Ø 動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配malloc()。盡管Java程序員不會(huì)直接調(diào)用malloc()，但Kaffe虛擬機(jī)需要從底層調(diào)用內(nèi)存分配例程來請(qǐng)求大的內(nèi)存池。

Ø 信號(hào)。Kaffe依賴于與POSIX兼容的信號(hào)實(shí)現(xiàn)機(jī)制來執(zhí)行相應(yīng)的軟件中斷。而這可以用來喚醒休眠線程和異常句柄。

Ø 非阻塞I/O接口。和select()相似。

3.4動(dòng)態(tài)類加載器

為了在OS20操作系統(tǒng)中使用，須修改源代碼中平臺(tái)無關(guān)的部分---動(dòng)態(tài)類加載器。它是Java運(yùn)行時(shí)環(huán)境的一部分，被用來負(fù)責(zé)加載被調(diào)用的方法(methods)。在桌面環(huán)境中，與方法相關(guān)的字節(jié)碼被放在類文件中，動(dòng)態(tài)類加載器使用給定的方法名在類路徑下的子目錄和文件里搜索。但由于OS20操作系統(tǒng)沒有文件系統(tǒng)，所以類加載器必須被修改成在內(nèi)存（RAM或ROM）中搜索類文件。為此我們完全重寫動(dòng)態(tài)類加載器。

我們采用了靜態(tài)查找表裝載機(jī)制，建立了一個(gè)查找表。這個(gè)查找表的結(jié)構(gòu)定義如下：

typedef struct

{

int index;

int size;

char name;

}classIndexTable;

這個(gè)查找表用來映射類名或方法名到它們?cè)趦?nèi)存中的起始地址。這樣就可以用查找表來替代類加載器。即將類型和路徑組合為一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí), 比如“java string”，組合起來就是“java_string”,然后再利用這個(gè)組合的結(jié)果檢索查找表。

利用組合的結(jié)果與查找表中每一項(xiàng)的name字段進(jìn)行字符串比較，直到完全匹配為止。如果沒有任何匹配則說明系統(tǒng)不支持這個(gè)類型。匹配上name 后，類裝載器將獲得index和size的值。index是一張存放所有.class文件起始地址表的索引，根據(jù)這個(gè)索引就可以找到具體的.class文件的二進(jìn)制映像的起始地址，而size則是該.class文件的大小。這樣根據(jù).class文件存儲(chǔ)位置的地址和大小就可以成功地完成類的裝載。

3.5虛擬機(jī)啟動(dòng)

由于OS20操作系統(tǒng)是被GCC編譯到主程序中，我們需要將kaffe虛擬機(jī)的初始化函數(shù)做為主應(yīng)用程序中的某個(gè)任務(wù)來運(yùn)行。kaffe虛擬機(jī)的初始化與啟動(dòng)是通過在主程序中運(yùn)行initializeKaffe()函數(shù)來完成的。

４ 測試與結(jié)果

在主程序中，調(diào)用OS20操作系統(tǒng)中的系統(tǒng)調(diào)用task_create()來將Kaffe虛擬機(jī)初始化為系統(tǒng)的一個(gè)進(jìn)程。并為它分配必要資源，包括進(jìn)程優(yōu)先級(jí)、系統(tǒng)需要的內(nèi)存空間等。依照分配的優(yōu)先級(jí),參與系統(tǒng)的進(jìn)程調(diào)度。最后，將整個(gè)修改好的源代碼在新的編譯環(huán)境下編譯連接成可執(zhí)行代碼,通過JTAG口下載到機(jī)頂盒開發(fā)板中運(yùn)行。

　　Kaffe虛擬機(jī)的“輸入”是“hello.java”，經(jīng)過編譯后生成類文件“hello.class”。運(yùn)行下載到Flash的主程序，在調(diào)試終端可以看到“hello world”字樣,這是Kaffe虛擬機(jī)解釋字節(jié)碼的結(jié)果。說明基于Sti5516芯片的Kaffe虛擬機(jī)移植成功。

５ 結(jié)束語

以上介紹了Java虛擬機(jī)Kaffe的軟件架構(gòu)，從中我們可以看出，Kaffe虛擬機(jī)具有較好的可擴(kuò)展結(jié)構(gòu)模型，是遵循Java規(guī)范的優(yōu)良的開放源碼虛擬機(jī)，可以適應(yīng)多種嵌入式應(yīng)用環(huán)境。本文按照歐洲D(zhuǎn)VB-MHP規(guī)范，給出了Kaffe虛擬機(jī)在Sti5516機(jī)頂盒環(huán)境下的移植方案，使其可以應(yīng)用于要求較高的嵌入式系統(tǒng)中，為機(jī)頂盒在證券信息服務(wù)、電子節(jié)目、MP3音樂下載、電子郵件、網(wǎng)頁瀏覽等新型服務(wù)領(lǐng)域的開發(fā)應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。我們相信，隨著基于Java技術(shù)的DVB-MHP中間件技術(shù)的廣泛使用，將使嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)更加簡捷方便。

參考文獻(xiàn)

[1] 李F楓. Jeode讓Java在嵌入式系統(tǒng)中運(yùn)轉(zhuǎn)如飛[J].微計(jì)算機(jī)信息, 2002,18(4):45-46.
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本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：本文作者給出了Kaffe虛擬機(jī)在Sti5516機(jī)頂盒環(huán)境下的移植方案，使其可以作用于被廣泛使用在數(shù)字機(jī)頂盒系統(tǒng)中的ST芯片上，為機(jī)頂盒在證券信息服務(wù)、電子節(jié)目、MP3音樂下載、電子郵件、網(wǎng)頁瀏覽等新型服務(wù)領(lǐng)域的開發(fā)應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。這一移植方案為在意法半導(dǎo)體Sti5516芯片上移植Java中間件提供了一種思路，也對(duì)在其它嵌入式系統(tǒng)上移植Java虛擬機(jī)有一定的參考價(jià)值。