嵌入式系統(tǒng)用Java語言

Java是在C++基礎(chǔ)上改進(jìn)了的面向?qū)ο蟮恼Z言。它可以得到類的封裝、繼承、多態(tài)等的優(yōu)異重用性的好處，Java的小應(yīng)用程序(Java Applet)還特別適合于上網(wǎng)。看來，用Java開發(fā)上的網(wǎng)的嵌入式應(yīng)用應(yīng)是很理想的，可惜，實現(xiàn)起來受嵌入式設(shè)備硬件在速度、存儲器容量、和其它資源的限制，加上桌面Java語言操作不到硬件，和執(zhí)行時間的不確定性，使Java應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)遇到新的問題。Sun公司按PersonalJava規(guī)范開發(fā)的J2ME(Java 2 Micro Edition)，是專用研制用于開發(fā)嵌入式的上網(wǎng)個人消費類設(shè)備的。因此J2ME除有面向?qū)ο蟮膬?yōu)點外，還包含了Web能力。J2ME使用的是Java API的一個子集，它僅保留了API的關(guān)鍵特性并適當(dāng)?shù)刈髁撕喕?。同時，又規(guī)定了兩種可有存儲模式：一個模式的內(nèi)存為128～256KB，另一種模式是 256KB以上的。其他，如類包也根據(jù)存儲模式選用。

下面為避免混淆，在文中凡未加特殊說明的Java，統(tǒng)指桌面Java而言。

一、 問題提出

*常用的解釋性Java(Java Applet)的執(zhí)行速度慢，不適于嵌入式的應(yīng)用。

*Java要求過大的內(nèi)存。

*嵌入式設(shè)備要求操作硬件。因Java廢棄了C語言所使用的指針，且在Web環(huán)境下使用了Java虛擬機(jī)(JVM)，使Java無力直接甚至間接地用指針操作硬件。

*Java使用一些自動功能會引起執(zhí)行時間的不確定性，成為嵌入式的大忌。如垃圾自動收集器。本是對于C的重大改進(jìn)，但卻因程序自動地回收垃圾，從而引入了實時的時間不確定性。

二、解決方案

使用AOT編譯器

為解決解釋性Java(Java Applet)執(zhí)行速度過慢的問題，發(fā)展了AOT(ahead-of-time)編譯器。大家喜歡在Internet上使用Java的一個原因是其字節(jié)碼具有跨平臺性，即同一Java代碼可以運行于PC、Mac、Solaris，甚至于主機(jī)之上。為此，在英文叫它WORA(寫一次即可通行于任意機(jī))。這是因為每一操作系統(tǒng)平臺上都有符合自己機(jī)型的專用Java虛擬機(jī)(JVM)，由它對字節(jié)碼進(jìn)行解釋運行。因為解釋程序需先被解釋再被執(zhí)行，多了解釋環(huán)節(jié)，延誤數(shù)秒鐘時間。如果是撥打電話，這個時間足以令人生厭?，F(xiàn)在使用AOT(ahead-of-time)超前編譯器，提前將解釋碼轉(zhuǎn)換為本平臺所用的并經(jīng)優(yōu)化過的二進(jìn)制碼，速度提高很多。現(xiàn)有Cygnus公司聲稱，它開發(fā)的AOT編譯器執(zhí)行速度是原解釋程序的8倍。NewMonics說它的 QuickPERC編譯器是原解釋程序的20倍。當(dāng)然，AOT編譯器也有不足，就是他犧牲了Java的WORA。

減少內(nèi)存的占用

所有的面向?qū)ο笳Z言，比C及匯編語言點用內(nèi)存都多。這個問題對于桌面系統(tǒng)早已不再是考慮的因素了，如服務(wù)器平均占用數(shù)GB的內(nèi)存已司空見慣。但是，對于嵌入式系統(tǒng)卻不能不考慮。用Java開發(fā)的信息家電產(chǎn)品可能需要把內(nèi)存限制到 512KB以下。如果嵌入式系統(tǒng)使用的是規(guī)模為1MB的核心類庫，那就是說，一句代碼尚未寫，內(nèi)存早就不夠用了。

為此，需要把用不到的類、類方法和代統(tǒng)統(tǒng)從程序中剔除。(AOT超前編譯器可以幫助解決這個問題。)再就是自己開發(fā)本平臺專用的，既短小高效、又符合Java API標(biāo)準(zhǔn)的Java核心類庫。

開發(fā)能混合編程的IDE

一般認(rèn)為，用C語言寫的程序，指鍺使用不當(dāng)引起的缺陷占總?cè)毕莸?0%左右。 Java語言，出于安全的考慮，才廢棄了使用指針。但是，指針卻能夠最直接地訪問到存儲器和真實的硬件。現(xiàn)在，為在嵌入式Java中能夠訪問到硬件，不得不改用本地接口，即從嵌入式Java中利用能夠訪問到硬件的C語言函數(shù)來實行交叉編程。這就意味著增加了復(fù)雜性。開發(fā)人員需要具備多語言以及多層次的混合編程和混合調(diào)試的能力。發(fā)展多語言多層次混合編程的IDE，無疑十分有助于一般開發(fā)人員完成這一相當(dāng)復(fù)雜的課題。Metrowerks的 CodeWorrior和IBM的VisualAge就是新開發(fā)的基于J2ME的這樣的IDE。

克服時間的不確定性

Java最主要的問題是時間不確定性，主要來源于存儲器殘渣的自動收集再生器。這種垃圾收集再生器工作的時候，自動地決定何時停下其他程序的執(zhí)行，再根據(jù)當(dāng)時殘渣的實際情況或長或短地完成任務(wù)。所以，它嚴(yán)重地干擾實時應(yīng)用所要求的時間確定性。為解決這一問題，不同公司采用不同的方法和垃圾收集的算法。NewMonics的Real Time Executives和Windriver的FastJ都是保證絕對的確定時間，Sun公司用不同的辦法但也保證具有實時的確定性。采用不同的編程技巧，譬如使用類型確定的線程局部存儲，也可以避免因垃圾收集引發(fā)的沖突。

需保持跨平臺的必要

AOT編譯器生成的Java代碼喪失了Java在其他操作平臺上的執(zhí)行能力。要想把Java的源代碼再向其他平臺移植，需要附加很大的勞動。面向?qū)ο蟮囊粋€基本設(shè)計原理就是只要保持接品不變，那么，與接口交談的代碼在移植時就不受影響。所謂高級邏輯接口的隔離手法，事實上，就是將平臺敏感的內(nèi)容同移值無關(guān)的代碼分離開來，并且分別提供同樣功能的平臺敏感程序。現(xiàn)在，針對嵌入式 Java，目前還沒有人做這項工作。

三、實際應(yīng)用

Java是良好的嵌入式編程語言嗎?

還不能這么說，至少現(xiàn)在是這樣。因為在嵌入式系統(tǒng)中，Java如何應(yīng)用要看具體情況而定。對于需要管理中斷來完成重要任務(wù)的應(yīng)用系統(tǒng)，就不宜于選用Java進(jìn)行開 發(fā)，譬如引導(dǎo)登外星的飛行器系統(tǒng)就是這樣。對于要求輕型、高效、任務(wù)重要、時間確定性要求極高的系統(tǒng)，也是只能局限于使用C語言和匯編。比如，點燃登陸外星的制動火箭系統(tǒng)，定時通過串行口獲取關(guān)鍵信息一邊做出決定的系統(tǒng)，定時報告航天器方位的系統(tǒng)等都不能使用Java。但是，需要不斷與他人通信聯(lián)系，以便對貨運進(jìn)行有效管理的手持系統(tǒng)，又最適合使用Java編程。因為，它既發(fā)揚了Java Applet固有的跨平臺應(yīng)用地Web環(huán)境的特點，又能充分利用服務(wù)器端的現(xiàn)成軟件。

使用Java有時也并不完全取決于技術(shù)

立足于經(jīng)濟(jì)上的考慮，比單獨的技術(shù)考慮更為重要。譬如，對于服務(wù)器，為了支持使用Java，寧愿多花費數(shù)千元擴(kuò)大存儲器是正確的。因為，從投入/產(chǎn)出的分析也得出同樣的結(jié)論。又如手機(jī)，若為支持使用Java，哪性僅只需要多花一元錢去擴(kuò)大存儲器也是不可行的。因為，手機(jī)的生產(chǎn)是以行百萬件的產(chǎn)量來考慮的，多花一元線，就意味著多花千百萬元，諾大的數(shù)字遠(yuǎn)比技術(shù)的先進(jìn)更為重要，是顯而易見的。