MTK系統(tǒng)下的J2ME運行平臺設計

引 言

現(xiàn)在Java技術十分流行，發(fā)展勢頭強勁，而且在SUN公司推出了J2ME平臺后，眾多移動式系統(tǒng)都紛紛支持Java應用程序。由于Java已經(jīng)成為了業(yè)界公認的通用網(wǎng)絡語言，具有超強的跨平臺性，所以Java這種Write once，Run anywhere的特性被目前幾乎所有的手機系統(tǒng)開發(fā)商所承認并運用。無一例外，當今的智能手機操作系統(tǒng)都支持KJava技術。為了保證手機操作系統(tǒng)支持運行Java程序，需要將Java虛擬機移植到手機操作系統(tǒng)上。由于手機這種移動式信息設備都采用小容量的Flash和RAM，所以就要求虛擬機體積更小，實時效率更高，故這種Java虛擬機被稱為KVM(K Virtual Machine)。

由于J2ME是以消費性產(chǎn)品為目標而設計的Java運行環(huán)境，專門針對移動電話、數(shù)字機頂盒和汽車導航系統(tǒng)，因而影響力巨大。本文將研究在MTK手機操作系統(tǒng)上實現(xiàn)嵌入式Java。整個J2ME運行平臺包括Java應用的下載、安裝、運行及觸摸屏支持等一系列功能。

1 相關技術研究

1．1 J2ME平臺

現(xiàn)在的Java系統(tǒng)是一個全方位的開發(fā)、運行平臺，可以在任何計算環(huán)境中實現(xiàn)。在嵌入式系統(tǒng)，SUN公司推出了J2 ME(Java 2 platform. Micro Edition)。

J2ME是Java 2標準版本的微型版本，支持各種各樣的消費類產(chǎn)品和嵌入式設備，如移動電話、PDA、互聯(lián)網(wǎng)可視電話、數(shù)字機頂盒、車載娛樂和導航系統(tǒng)、網(wǎng)絡交換設備以及信息家電等。J2ME是為了那些使用有限的能源、有限的網(wǎng)絡連接(通常是無線連接)以及有限圖形用戶界面能力的設備開發(fā)的。

J2ME體系結構如圖1所示。其中簡表層、配置層和Java虛擬機是J2ME的組成部分。J2ME是一個簡化的Java，是針對各種不同的低端設備而設計的。為了滿足各種環(huán)境，J2ME設計了簡表一配置規(guī)范。配置是一個語言特性和核心類的配置規(guī)范，針對不同的環(huán)境(內(nèi)存、顯示、網(wǎng)絡連接和處理能力) 給定不同的配置。也就是定義了該環(huán)境的Java語言子集和核心類庫，虛擬機開發(fā)者遵照此配置來開發(fā)虛擬機。最著名的兩個配置是連接設備配置(CDC)和連接有限設備配置(CLDC)。

CLDC包括K虛擬機(KVM)和一組核心類庫，主要是針對用戶接口簡單、內(nèi)存較小、網(wǎng)絡運行時連時斷以及帶寬較窄的小型無線設備。其中KVM是JVM的一個實現(xiàn)，特別用于移動電話、PDA等設備。

簡表是針對相同配置的不同特性而開發(fā)的擴展類庫，它提供給開發(fā)者在特定類型設備上開發(fā)的類庫。例如，移動信息設備子集MIDP(Mobile Information Device Pro—file)綜合考慮了移動設備的屏幕和內(nèi)存限制，定義了J2ME適用的硬件和軟件框架，并提供了這個框架要實現(xiàn)的基本功能及標準接口；應用開發(fā)者可以基于這個框架開發(fā)出各種應用。MIDP 2．0定義了一系列軟件接口，包括基本輸入輸出、圖形用戶接口、網(wǎng)絡、事件機制、文件系統(tǒng)、應用管理系統(tǒng)、游戲接口、聲音輸出接口和安全機制。

由于CLDC的設備資源受到限制，所以SUN公司專門開發(fā)了一個新的虛擬機KVM。Sun公司于2000年公布了KVM的參考實現(xiàn)，采用解釋執(zhí)行字節(jié)碼的Java虛擬機。與編譯執(zhí)行相比，解釋執(zhí)行的Java虛擬機在移動通信設備上具有顯著的優(yōu)點：虛擬機占用移動通信設備非易失性存儲空間比較??；虛擬機運行時占用RAM空間比較?。唤忉寛?zhí)行核心代碼量?。蛔止?jié)碼占用RAM空間比較??；實現(xiàn)難度低，可移植性好?，F(xiàn)有的具有KVM支持的移動通信設備大多是基于該參考實現(xiàn)的。

1．2 MTK系統(tǒng)

MTK方案是臺灣聯(lián)發(fā)科技公司提供的手機解決方案。近70％的國產(chǎn)手機采用MTK的芯片和平臺。有資料顯示，2007年MTK手機芯片出貨量高達 1．5億片，全球市場占有率近14％，僅次于德州儀器及高通公司。若只計算MTK進入全球GSM手機芯片的市場規(guī)模，大約省7億～8億部手機，市場占有率已高達20％以上，排名僅次于德州儀器公司。

在目前MTK市場上，MTK6225平臺占據(jù)主導地位。該系統(tǒng)的主要功能如下：

①任務管理。系統(tǒng)任務采用靜態(tài)創(chuàng)建方式，靜態(tài)配置任務優(yōu)先級、棧大小、任務全局唯一ID等；不提供動態(tài)創(chuàng)建Task的方式；任務內(nèi)部以及任務之間的通信通過內(nèi)部事件隊列和外部事件隊列完成。

②內(nèi)存管理。平臺不提供動態(tài)分配內(nèi)存的方式；應用程序需要使用動態(tài)分配內(nèi)存時，可以采用以下幾種方式：與系統(tǒng)其他模塊共享內(nèi)存，典型的是使用MED 模塊的內(nèi)存；定義一個靜態(tài)數(shù)組，交給系統(tǒng)adm托管，然后調(diào)用kal_adm_alloc、kal_adm_free等內(nèi)存操作函數(shù)實現(xiàn)動態(tài)內(nèi)存分配；定義一個靜態(tài)數(shù)組，應用自己實現(xiàn)基于此數(shù)組的分配和管理，也就是實現(xiàn)自己的內(nèi)存管理模塊。

③事件機制。平臺事件機制采用“注冊一回調(diào)”機制，把需要處理的各個按鍵、觸摸屏等通過系統(tǒng)函數(shù)注冊，當有事件發(fā)生時系統(tǒng)調(diào)用所注冊的*者。

④UI。系統(tǒng)MMI層提供了豐富的UI元素，如各種消息框、列表、圖標等。

⑤系統(tǒng)局限性。MTK6225平臺只有一種中文字體，字體大小固定。

2 平臺設計

2．1 平臺功能分析

在MTK平臺上實現(xiàn)J2ME運行環(huán)境，需要實現(xiàn)的功能如下：

①應用程序管理。Java擁有豐富的應用程序，平臺需要管理這些應用程序，因此要實現(xiàn)應用程序管理系統(tǒng)。應用程序管理系統(tǒng)功能包括程序的安裝、刪除、運行、下載等。

②虛擬機的實現(xiàn)平臺。嵌入式Java虛擬機的實現(xiàn)平臺有多種方式。它可以直接嵌入到裸機上，也可以加載于其他嵌入式操作系統(tǒng)之上，成為一臺抽象的計算機。它的平臺無關性給它帶來了巨大的發(fā)展前景。經(jīng)過研究，在MTK平臺上，采用SUN公司公布的KVM作為核心，結合虛擬機所需要實現(xiàn)的功能和MTK平臺，設計和實現(xiàn)移植接口，最后在MTK平臺上運行KVM，在KVM之上運行Java應用程序。

2．2 平臺框架設計

系統(tǒng)平臺由應用程序管理系統(tǒng)(ApplicationManagement System，AMS)、KVM核心(KVM core)、KVM移植接口層、MTK系統(tǒng)平臺構成。平臺框圖如圖2所示。

移植接口層包含以下部分：

①文件系統(tǒng)部分，對文件操作，實現(xiàn)創(chuàng)建、打開、關閉、讀、寫等功能。KVM在運行的時候需要通過這部分接口使用本地文件，如打開jar、jad文件等。

②網(wǎng)絡部分，提供Socket訪問功能。

③外部事件，獲取用戶輸入，包括按鍵輸入和觸摸屏輸入。

④圖形顯示部分，負責KVM圖形及文字顯示。

⑤系統(tǒng)時間部分，提供給KVM精確的系統(tǒng)時間。

⑥輸入法，Java程序運行時可能要求用戶輸入，此接口實現(xiàn)調(diào)用系統(tǒng)輸入法功能。

⑦其他接口，內(nèi)存訪問、交互性事件通知以及擴充的JSR實現(xiàn)所需要的接口，如JSRl20、JSRl35等。

2．3 應用程序管理系統(tǒng)設計

應用程序管理系統(tǒng)管理整個Java運行環(huán)境，實現(xiàn)如下功能：

①顯示應用程序列表，展示給用戶當前手機系統(tǒng)的所有可用的應用程序。

②應用管理功能選擇菜單，菜單應包括兩種類型，分別是程序已經(jīng)安裝好的菜單項和程序還未下載，只有jad文件在本地，需要向服務器請求下載應用安裝后才能運行的菜單項。

③下載應用，與服務器通信下載用戶選擇的應用。用戶啟動Java應用流程如圖4所示。

根據(jù)UI和engine的劃分，可以把應用程序管理系統(tǒng)分為應用程序管理界面和應用管理系統(tǒng)核心：應用程序管理界面提供給用戶交互式界面，包括管理系統(tǒng)主界面、程序下載界面、程序運行界面、管理功能菜單以及各級子界面；應用管理系統(tǒng)核心由實現(xiàn)功能的一系列API組成，提供給上層界面調(diào)用，實現(xiàn)程序的下載、安裝、刪除、運行等功能。

3 平臺的實現(xiàn)

3．1 Java虛擬機移植的實現(xiàn)

在實現(xiàn)內(nèi)存管理模塊時，由于平臺不提供動態(tài)分配內(nèi)存方式，而虛擬機需要一塊比較大的內(nèi)存，不能從MED模塊分配，且根據(jù)需要會對內(nèi)存進行壓縮整理，不適合采用系統(tǒng)托管方式。所以，采用虛擬機自己管理內(nèi)存的方式，實現(xiàn)內(nèi)存管理模塊。

KVM就像一個軟處理器一樣控制解釋Java字節(jié)碼和它的執(zhí)行狀況，每一個創(chuàng)建的Java線程在Java堆中都會有各自的線程執(zhí)行棧，并且由KVM 運行來調(diào)度管理。為了使KVM能盡量正確地劃分時間片，需要給一個時間標準作為KVM的內(nèi)部時鐘，由時間接口實現(xiàn)。系統(tǒng)提供void kal_get_time(kal_uint32*tieks_ptr)函數(shù)，可精確到1個ticks(4．615 ms)。

系統(tǒng)只提供一種大小字體，而Java應用需要使用3種大小字體?？梢圆捎靡韵路绞綄崿F(xiàn)：

①設計實現(xiàn)虛擬機自身的文字模塊，采用3種大小的ASCII和GB2312字體點陣字庫，從中提取文字點陣信息，由虛擬機圖形顯示模塊顯示。

②只提供一種大小的字體，這樣應用會受限制。由于系統(tǒng)平臺可用內(nèi)存小，文字點陣字庫相對比較大，不適合在這個平臺使用，因此選擇采用第2種方式。如今在移動多媒體領域，Java應用大多要求聯(lián)網(wǎng)，所以實現(xiàn)網(wǎng)絡通信，即要實現(xiàn)TCP／IP，支持套接字，是KVM一個非常重要的功能。系統(tǒng) “soc_api．h”文件中定義了套接字接口API，使用此接口實現(xiàn)虛擬機網(wǎng)絡方面移植非常方便。

Java應用要求支持多媒體音頻和事件處理，提供用戶最好的交互功能。在多媒體音頻方面，MTK系統(tǒng)提供了非常全面的支持——支持MID、MP3等格式的音頻播放。根據(jù)Java應用的需求，一些基于MIDP2．O擴展包的實現(xiàn)成為必要。本系統(tǒng)實現(xiàn)了JSRl20的短信功能以及JSRl35的部分功能。

3．2 應用程序管理系統(tǒng)的實現(xiàn)

實現(xiàn)了應用程序管理核心API，包括對jar、jad文件的安裝、刪除、信息獲取等等。系統(tǒng)MMI層提供了豐富的UI元素，因此比較容易地實現(xiàn)了應用程序管理界面。實現(xiàn)了應用下載模塊，與服務器通信下載應用。由于平臺未提供HTTP協(xié)議的實現(xiàn)，因此在基于所設計的虛擬機Socket接口之上，實現(xiàn)了 HTTP協(xié)議，連接服務器下載用戶選擇的相關應用。

結 語

J2ME運行平臺在MTK系統(tǒng)上的設計和實現(xiàn)，充分考慮了系統(tǒng)空間的局限性和運行效率這兩大要素，以及Java運行時與系統(tǒng)的交互事件處理問題，實現(xiàn)了在MTK平臺上下載、安裝、運行Java應用一體化平臺，并在MIP2.0基礎上擴充實現(xiàn)了JSR120、JSR135部分功能。該平臺已經(jīng)在多款 MTK6225平臺手機上運行。