嵌入式系統(tǒng)用Java語(yǔ)言

Java是在C++基礎(chǔ)上改進(jìn)了的面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)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)?？磥?lái)，用Java開(kāi)發(fā)上的網(wǎng)的嵌入式應(yīng)用應(yīng)是很理想的，可惜，實(shí)現(xiàn)起來(lái)受嵌入式設(shè)備硬件在速度、存儲(chǔ)器容量、和其它資源的限制，加上桌面Java語(yǔ)言操作不到硬件，和執(zhí)行時(shí)間的不確定性，使Java應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)遇到新的問(wèn)題。Sun公司按PersonalJava規(guī)范開(kāi)發(fā)的J2ME(Java 2 Micro Edition)，是專用研制用于開(kāi)發(fā)嵌入式的上網(wǎng)個(gè)人消費(fèi)類設(shè)備的。因此J2ME除有面向?qū)ο蟮膬?yōu)點(diǎn)外，還包含了Web能力。J2ME使用的是Java API的一個(gè)子集，它僅保留了API的關(guān)鍵特性并適當(dāng)?shù)刈髁撕?jiǎn)化。同時(shí)，又規(guī)定了兩種可有存儲(chǔ)模式：一個(gè)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(chǔ)模式選用。

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

一、 問(wèn)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(guò)大的內(nèi)存。

*嵌入式設(shè)備要求操作硬件。因Java廢棄了C語(yǔ)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(wú)力直接甚至間接地用指針操作硬件。

*Java使用一些自動(dòng)功能會(huì)引起執(zhí)行時(shí)間的不確定性，成為嵌入式的大忌。如垃圾自動(dòng)收集器。本是對(duì)于C的重大改進(jìn)，但卻因程序自動(dòng)地回收垃圾，從而引入了實(shí)時(shí)的時(shí)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(guò)慢的問(wèn)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(gè)原因是其字節(jié)碼具有跨平臺(tái)性，即同一Java代碼可以運(yùn)行于PC、Mac、Solaris，甚至于主機(jī)之上。為此，在英文叫它WORA(寫(xiě)一次即可通行于任意機(jī))。這是因?yàn)槊恳徊僮飨到y(tǒng)平臺(tái)上都有符合自己機(jī)型的專用Java虛擬機(jī)(JVM)，由它對(duì)字節(jié)碼進(jìn)行解釋運(yùn)行。因?yàn)榻忉尦绦蛐柘缺唤忉屧俦粓?zhí)行，多了解釋環(huán)節(jié)，延誤數(shù)秒鐘時(shí)間。如果是撥打電話，這個(gè)時(shí)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(tái)所用的并經(jīng)優(yōu)化過(guò)的二進(jìn)制碼，速度提高很多?，F(xiàn)有Cygnus公司聲稱，它開(kāi)發(fā)的AOT編譯器執(zhí)行速度是原解釋程序的8倍。NewMonics說(shuō)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(yǔ)言，比C及匯編語(yǔ)言點(diǎn)用內(nèi)存都多。這個(gè)問(wèn)題對(duì)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(jiàn)慣。但是，對(duì)于嵌入式系統(tǒng)卻不能不考慮。用Java開(kāi)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(kù)，那就是說(shuō)，一句代碼尚未寫(xiě)，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(gè)問(wèn)題。)再就是自己開(kāi)發(fā)本平臺(tái)專用的，既短小高效、又符合Java API標(biāo)準(zhǔn)的Java核心類庫(kù)。

開(kāi)發(fā)能混合編程的IDE

一般認(rèn)為，用C語(yǔ)言寫(xiě)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(yǔ)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(wèn)到存儲(chǔ)器和真實(shí)的硬件。現(xiàn)在，為在嵌入式Java中能夠訪問(wèn)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(wèn)到硬件的C語(yǔ)言函數(shù)來(lái)實(shí)行交叉編程。這就意味著增加了復(fù)雜性。開(kāi)發(fā)人員需要具備多語(yǔ)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(yǔ)言多層次混合編程的IDE，無(wú)疑十分有助于一般開(kāi)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(kāi)發(fā)的基于J2ME的這樣的IDE。

克服時(shí)間的不確定性

Java最主要的問(wèn)題是時(shí)間不確定性，主要來(lái)源于存儲(chǔ)器殘?jiān)淖詣?dòng)收集再生器。這種垃圾收集再生器工作的時(shí)候，自動(dòng)地決定何時(shí)停下其他程序的執(zhí)行，再根據(jù)當(dāng)時(shí)殘?jiān)膶?shí)際情況或長(zhǎng)或短地完成任務(wù)。所以，它嚴(yán)重地干擾實(shí)時(shí)應(yīng)用所要求的時(shí)間確定性。為解決這一問(wèn)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(duì)的確定時(shí)間，Sun公司用不同的辦法但也保證具有實(shí)時(shí)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(chǔ)，也可以避免因垃圾收集引發(fā)的沖突。

需保持跨平臺(tái)的必要

AOT編譯器生成的Java代碼喪失了Java在其他操作平臺(tái)上的執(zhí)行能力。要想把Java的源代碼再向其他平臺(tái)移植，需要附加很大的勞動(dòng)。面向?qū)ο蟮囊粋€(gè)基本設(shè)計(jì)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(shí)就不受影響。所謂高級(jí)邏輯接口的隔離手法，事實(shí)上，就是將平臺(tái)敏感的內(nèi)容同移值無(wú)關(guān)的代碼分離開(kāi)來(lái)，并且分別提供同樣功能的平臺(tái)敏感程序?，F(xiàn)在，針對(duì)嵌入式 Java，目前還沒(méi)有人做這項(xiàng)工作。

三、實(shí)際應(yīng)用

Java是良好的嵌入式編程語(yǔ)言嗎?

還不能這么說(shuō)，至少現(xiàn)在是這樣。因?yàn)樵谇度胧较到y(tǒng)中，Java如何應(yīng)用要看具體情況而定。對(duì)于需要管理中斷來(lái)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(kāi) 發(fā)，譬如引導(dǎo)登外星的飛行器系統(tǒng)就是這樣。對(duì)于要求輕型、高效、任務(wù)重要、時(shí)間確定性要求極高的系統(tǒng)，也是只能局限于使用C語(yǔ)言和匯編。比如，點(diǎn)燃登陸外星的制動(dòng)火箭系統(tǒng)，定時(shí)通過(guò)串行口獲取關(guān)鍵信息一邊做出決定的系統(tǒng)，定時(shí)報(bào)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(duì)貨運(yùn)進(jìn)行有效管理的手持系統(tǒng)，又最適合使用Java編程。因?yàn)?，它既發(fā)揚(yáng)了Java Applet固有的跨平臺(tái)應(yīng)用地Web環(huán)境的特點(diǎn)，又能充分利用服務(wù)器端的現(xiàn)成軟件。

使用Java有時(shí)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(dú)的技術(shù)考慮更為重要。譬如，對(duì)于服務(wù)器，為了支持使用Java，寧愿多花費(fèi)數(shù)千元擴(kuò)大存儲(chǔ)器是正確的。因?yàn)椋瑥耐度?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(qián)去擴(kuò)大存儲(chǔ)器也是不可行的。因?yàn)?，手機(jī)的生產(chǎn)是以行百萬(wàn)件的產(chǎn)量來(lái)考慮的，多花一元線，就意味著多花千百萬(wàn)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(jiàn)的。