基于ST20 嵌入式系统的 Java 虚拟机研究与移植.pdf

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1、 获取更多权威电子资料获取更多权威电子资料 请登陆请登陆 第第 1 页页 共共 6 页页 基于基于 ST20 嵌入式系统的嵌入式系统的 Java 虚拟机研究与移植虚拟机研究与移植 分析了开放源码的 Java 虚拟机 Kaffe 的结构、运行机制，并针对 DVB(Digital Video Broadcast)数字机顶盒软件架构中对基于 Java虚拟机的 MHP(Multimedia Home Platform)中间件研发的需求。研究了将 Kaffe 移植到 Sti5516 处理器和其专用 OS20 操作系统的关键技术，给出了相应的移植方案。对深入了解 MHP 在数字机顶盒中的应用给出了研究方向

2、和基本思路。1 引言引言 随着现代信息技术的迅猛发展，电视数字化步伐加快了。从一开始的模拟电视到现在的数字电视，不仅大大提高了电视节目的质量，也推动了电视数字化的进一步发展。在各种数字视频广播标准中，欧洲的 DVB(Digital Video Broadcast)标准使用比较广泛，它为在同一信道中传输视频、音频、数据提供了一种灵活、高效的方式，可以通过卫星、电缆和地面信道传输高质量的电视节目。同时基于 DVB 的数据广播标准也能满足人们对于宽带数据业务的要求，如证券信息服务、电子节目、MP3 音乐下载、电子邮件、网页浏览等，在现代信息技术领域应用极为广泛。图一 数字机顶盒架构 从图一我们可以看

3、到,一个完整的数字机顶盒由硬件平台和软件系统组成，可以将其分为 4 层，从底向上分别为硬件、底层软件、中间件、应用软件。硬件提供机顶盒的硬件平台；底层软件提供操作系统内核以及各种硬件驱动程序；应用软件包括本机存储的应用和可下载的应用；中间件是一种将应用程序与底层的操作系统、硬件细节隔离开来，使应用不依赖于具体的硬件平台的软件环境。这样用户可以在任何厂家的硬件平台上进行应用软件开发，和应用软件下载。而不必介意任何底层的有关信息，保证了机顶盒的开发专业化。这种 获取更多权威电子资料获取更多权威电子资料 请登陆请登陆 第第 2 页页 共共 6 页页 分层的思想在现代系统设计中十分常见，如大名鼎鼎的T

4、CP/IP协议。中间件通常由各种虚拟机来构成，如HTML虚拟机、JavaScript虚拟机、Java虚拟机1等。现在广电行业倾向于DVB-MHP(多媒体家庭平台)中间件标准。DVB-MHP基于开放性的Java程序语言，具有软硬件兼容性好、可移植成本低、二次再开发功能强等优点，是一种很有发展前途的中间件技术标准。可以相信，Java在数字视频广播中的应用将越来越多，我们有必要研究Java技术核心虚拟机，包括其结构、运行机制及虚拟机移植到数字机顶盒平台的关键技术。本文面向采用ST（意法半导体公司）Sti5516 芯片的数字机顶盒平台，将基于数字电视播放(Digital Video Broadcast

5、，DVB)的多媒体家庭平台(Multimedia Home Platform，MHP)规范2进行中间件平台分析，重点研究开放源码的Java虚拟机-Kaffe在其中的作用和相关的移植技术。2 平台介绍平台介绍 2.1 硬件平台硬件平台 数字机顶盒硬件平台基于ST公司的芯片Sti55163，Sti5516 芯片集成了CPU内核ST20-C2、音/视频MPEG-2 解码器、PAL/NTSC/SECAM编码器等。开发板上有 8MB的共享内存和 16MB的外部内存，4MB的Flash，并采用实时处理的嵌入式操作系统OS20。2.2 软件平台软件平台 一个典型的适用于嵌入式的 Java 运行环境包括以下组

6、件：1一个 Java 虚拟机。用来将独立于平台的 Java 字节码解释成目标机本地机器码，并执行动态类加载。这可以采取解释执行或实时编译执行（JIT）的形式。两者的不同点就在于字节码的执行速度；因为 JIT 避免了重复解释以前执行过的程序块。2一个标准 Java 类库集，以字节码的形式存在。如果应用程序并不引用任何类库，那这些类库就并不一定要求存在。3任何类库或虚拟机所需的本地方法(JNI)。这些函数是由其它高级语言所写，并和 Java 虚拟机一起预编译，链接。这些函数被用来执行处理器相关或 Java 无法直接实现的功能。4一个多任务操作系统，用来提供 Java 线程及线程同步机制的底层实现。

7、获取更多权威电子资料获取更多权威电子资料 请登陆请登陆 第第 3 页页 共共 6 页页 5一个垃圾回收线程。垃圾回收周期运行或当动态内存池不能满足分配请求时运行，用来申明那些已经被分配但不再被应用程序所使用的内存。Kaffe是一个完整的Java实现，它由 3 部分组成：遵从 Personal Java1.1 规范的 Java类库4，Java1.1 虚拟机和本地动态或静态链接库。Kaffe虚拟机源码按以下子目录组织：kaffe-包括了解释器与 JIT 平台无关部分，以及垃圾回收，动态类加载和 Java runtime environment 其它模块的源代码。config-包括了解释器与 JIT

8、 平台相关部分。它按所支持的处理器来划分子目录，里面存放系统相关代码。package-Java 类库以及任何它所依赖的本地方法。include-在子目录中提供的本地方法的接口定义。这些接口被平台独立文件所需要。3 Kaffe 移植的关键技术及方案移植的关键技术及方案 经过对Kaffe深入分析和研究，笔者已在Sti5516 平台上成功地移植了Kaffe5，并依据DVB-MHP规范，结合机顶盒特定软硬件环境要求，建立了能运行Kaffe虚拟机的Java应用程序运行平台。下面将移植工作及相应步骤总结如下：3.1 字节码解释器字节码解释器 由于 Kaffe 源码中没有映射 Java 字节码到处理器相关的

9、汇编代码块，而是使用 C 实现了每个字节码。这样就导致字节码解释器的源代码没有一行是处理器相关的。这意味着移植最简虚拟机（无 JIT）将非常简单：只需要使用交叉编译器来编译 kaffe/kaffevm 子目录下的文件即可。3.2 内部线程内部线程 Kaffe 有它自己的内部线程包。换句话说，它维护自己的线程数据结构，并在适当的时候执行线程调度及上下文切换。为了使内部线程包能运行在 ST20 处理器架构上,需要在 config/os20 子目录中创建一个 threads.h 文件。这个文件定义了两个常量和四个宏。这些常量和宏被内部线程包里处理器无关的部分代码所使用。USE_INTERNAL_TH

10、READS 定义为 ENABLE。获取更多权威电子资料获取更多权威电子资料 请登陆请登陆 第第 4 页页 共共 6 页页 THREADSTACKSIZE 是一个常量，定义为每个线程堆栈的大小，单位 bytes。THREADINIT(ctx*pContex,void(*func)()执行新线程的上下文初始化。该线程的入口点被 func 指针所提供。THREADSWITCH(ctx*pNewContext,ctx*pOldContext)执行实际的上下文切换。THREADINFO(ctx*pContext)在 Kaffe 初始化期间重置整个任务控制块。THREADFRAMES(thread*tas

11、kId,int count)返回活动的堆栈桢个数。3.3 支持软件支持软件 和其它大多数用 C 写的程序一样，Kaffe 依赖于标准 C 库里的例程。由于 ST 采用符合GNU 规范的 GCC 编译器，如 strcmp()，atoi()，sin()等标准 C 库函数被支持。除此之外 OS20 提供以下支持：动态内存分配 malloc()。尽管 Java 程序员不会直接调用 malloc()，但 Kaffe 虚拟机需要从底层调用内存分配例程来请求大的内存池。信号。Kaffe 依赖于与 POSIX 兼容的信号实现机制来执行相应的软件中断。而这可以用来唤醒休眠线程和异常句柄。非阻塞 I/O 接口。和

12、 select()相似。3.4 动态类加载器动态类加载器 为了在 OS20 操作系统中使用，须修改源代码中平台无关的部分-动态类加载器。它是Java 运行时环境的一部分，被用来负责加载被调用的方法(methods)。在桌面环境中，与方法相关的字节码被放在类文件中，动态类加载器使用给定的方法名在类路径下的子目录和文件里搜索。但由于 OS20 操作系统没有文件系统，所以类加载器必须被修改成在内存（RAM 或 ROM）中搜索类文件。为此我们完全重写动态类加载器。我们采用了静态查找表装载机制，建立了一个查找表。这个查找表的结构定义如下：typedef struct 获取更多权威电子资料获取更多权威电子

13、资料 请登陆请登陆 第第 5 页页 共共 6 页页 int index;int size;char name;classIndexTable;这个查找表用来映射类名或方法名到它们在内存中的起始地址。这样就可以用查找表来替代类加载器。即将类型和路径组合为一个唯一的标识,比如“java string”，组合起来就是“java_string”,然后再利用这个组合的结果检索查找表。利用组合的结果与查找表中每一项的 name 字段进行字符串比较，直到完全匹配为止。如果没有任何匹配则说明系统不支持这个类型。匹配上 name 后，类装载器将获得 index和 size 的值。index 是一张存放所有.cl

14、ass 文件起始地址表的索引，根据这个索引就可以找到具体的.class 文件的二进制映像的起始地址，而 size 则是该.class 文件的大小。这样根据.class 文件存储位置的地址和大小就可以成功地完成类的装载。3.5 虚拟机启动虚拟机启动 由于 OS20 操作系统是被 GCC 编译到主程序中，我们需要将 kaffe 虚拟机的初始化函数做为主应用程序中的某个任务来运行。kaffe 虚拟机的初始化与启动是通过在主程序中运行 initializeKaffe()函数来完成的。测试与结果测试与结果 在主程序中，调用 OS20 操作系统中的系统调用 task_create()来将 Kaffe 虚拟

15、机初始化为系统的一个进程。并为它分配必要资源，包括进程优先级、系统需要的内存空间等。依照分配的优先级,参与系统的进程调度。最后，将整个修改好的源代码在新的编译环境下编译连接成可执行代码,通过 JTAG 口下载到机顶盒开发板中运行。Kaffe 虚拟机的“输入”是“hello.java”，经过编译后生成类文件“hello.class”。运行下载到Flash 的主程序，在调试终端可以看到“hello world”字样,这是 Kaffe 虚拟机解释字节码的结果。说明基于 Sti5516 芯片的 Kaffe 虚拟机移植成功。结束语结束语 获取更多权威电子资料获取更多权威电子资料 请登陆请登陆 第第 6

16、页页 共共 6 页页 以上介绍了 Java 虚拟机 Kaffe 的软件架构，从中我们可以看出，Kaffe 虚拟机具有较好的可扩展结构模型，是遵循 Java 规范的优良的开放源码虚拟机，可以适应多种嵌入式应用环境。本文按照欧洲 DVB-MHP 规范，给出了 Kaffe 虚拟机在 Sti5516 机顶盒环境下的移植方案，使其可以应用于要求较高的嵌入式系统中，为机顶盒在证券信息服务、电子节目、MP3 音乐下载、电子邮件、网页浏览等新型服务领域的开发应用奠定坚实的基础。我们相信，随着基于 Java 技术的 DVB-MHP 中间件技术的广泛使用，将使嵌入式系统的应用开发更加简捷方便。参考文献参考文献 1

17、 李旻枫.Jeode 让 Java 在嵌入式系统中运转如飞J.微计算机信息,2002,18(4):45-46.2 Digital Video broadcasting(DVB):Multimedia home Platform(MHP)Specification 1.1S.tm2485,tam668r12.3 Sti5516 Data sheet,STMicroelectronics.DB/OL.4 Sun Document.The JavaTM Virtual Machine Specification.1999.5 严东华，张凯，Java 虚拟机及其移植.北京理工大学学报，2002；2:64-67.本文作者创新点：本文作者创新点：本文作者给出了 Kaffe 虚拟机在 Sti5516 机顶盒环境下的移植方案，使其可以作用于被广泛使用在数字机顶盒系统中的 ST 芯片上，为机顶盒在证券信息服务、电子节目、MP3 音乐下载、电子邮件、网页浏览等新型服务领域的开发应用奠定坚实的基础。这一移植方案为在意法半导体 Sti5516 芯片上移植 Java 中间件提供了一种思路，也对在其它嵌入式系统上移植 Java 虚拟机有一定的参考价值。