Java技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用
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關(guān)鍵詞：Java 嵌入式系統(tǒng) Java卡 J2ME 移動(dòng)通信
1 Java概述
Java是在1991年由Sun公司James Gosling Patrick Naughton、Chis Warth、Ed Frank以及Mike Sherindan等組成的"STAR7"小組所構(gòu)想出來(lái)的。于1995年5月正式推出。Java計(jì)算平臺(tái)包括JVM(Java虛擬機(jī))和Java API（Java應(yīng)用編程接口）。JVM是一種抽象化的計(jì)算機(jī)，運(yùn)行在操作系統(tǒng)之上，可以在它上面執(zhí)行Java的字節(jié)線，使Java應(yīng)用程序在現(xiàn)有的各種平臺(tái)上都可以順利執(zhí)行。Java API和Java的函數(shù)類(lèi)庫(kù)，分為基本核心類(lèi)庫(kù)和各種外加功能的擴(kuò)展類(lèi)庫(kù)。
1998年12月8日，Sun公司的最新一個(gè)版本的JDK（Java Software Development Kit）正式發(fā)布，Sun的升級(jí)版本，而且還是完善的Java平臺(tái)。
Java 2定義組成Java企業(yè)平臺(tái)的核心技術(shù)包括15個(gè)核心API。這15個(gè)核心API構(gòu)成了整個(gè)Java 2技術(shù)的靈魂，包括Applet、AWT、Beans、IO、Lang、Math、Net、Rmi、Security、SQL、Text、Util、Accessibility、Swing和CORBA。與以往的JDK比較，Java 2平臺(tái)具有很多優(yōu)勢(shì)，如更靈活的安全模式、更好的性能、與其他企業(yè)級(jí)系統(tǒng)的互用性、應(yīng)用開(kāi)發(fā)更容易、全球化的提高以及更好的跨平臺(tái)性等。
Java 2可以根據(jù)對(duì)軟、硬件需求的不同分為4個(gè)版本。J2EE(Java 2 Platform，Enterprise Edition)用于企業(yè)服務(wù)器端應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)；J2SE(Java 2 Platform，Standard Edition)用于個(gè)人計(jì)算機(jī)上的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)；J2ME(Java 2 Platform，Micro Edition)用于信息家電等資源有限的設(shè)備上的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)；Java Card Platform用于智能卡上的應(yīng)用程序開(kāi) 發(fā)。
Java 程序語(yǔ)言在其產(chǎn)生之初，本身就是為嵌入式設(shè)備--機(jī)頂盒設(shè)備設(shè)計(jì)的?，F(xiàn)在Java又憑借J2MEE和Java Card Platform回到嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域。
2 Java卡
（1）Java卡簡(jiǎn)介
Java卡是Java平臺(tái)中最小的子集，也是一種特殊的智能卡。智能卡是一種嵌入計(jì)算機(jī)芯片的卡片，廣泛應(yīng)用于通信、交通、金融、證券和保險(xiǎn)等領(lǐng)域。智能卡分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是存儲(chǔ)器卡，另一類(lèi)是微處理器卡。存儲(chǔ)器卡僅僅被用于存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)。微處理器卡有數(shù)據(jù)處理的功能：它有自己的CPU、I/O端口、存儲(chǔ)器和操作系統(tǒng)，可以被看作是一臺(tái)微型電腦；可以安裝并運(yùn)行小的應(yīng)用程序，通過(guò)串行通信接口與外部通信。ISO（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織）制定了智能卡的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 7816。
影響智能卡推廣的主要因素是其不夠開(kāi)放，不同的卡片制造商生產(chǎn)的卡片的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，工業(yè)界提出了能運(yùn)行Java程序的智能卡--Java卡，并且制定了Java卡的技術(shù)規(guī)范，包括Java Card VM(Java卡虛擬機(jī))和API的詳細(xì)信息。Java Card VM位于智能卡的操作系統(tǒng)之一，用通用的編程語(yǔ)言和系統(tǒng)接口屏蔽了不同智能卡硬件和操作系統(tǒng)的區(qū)別。Java卡的框架定義了供應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者使用的API。Java卡的應(yīng)用程序稱為Applet，每個(gè)Applet由唯一的AID（應(yīng)用程序標(biāo)識(shí)符）來(lái)識(shí)別。
（2）Java卡對(duì)硬件的最低要求
512 B RAM：主要用于存儲(chǔ)應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)的棧以及I/O緩沖區(qū)。
24 KB ROM：主要用于存儲(chǔ)程序代碼和系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)。
8 KB EEPROM：主要用于存儲(chǔ)Java卡的Applet和堆。
8位處理器：8位處理器是Java卡的最低要求。
（3）Java卡軟件體系結(jié)構(gòu)
Java卡軟件體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。
最底層的Card OS（操作系統(tǒng)）和Native Functions（基本函數(shù)）相不于個(gè)人計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)，負(fù)責(zé)低層的處理工作。
Java Card VM位于Card OS和Native Functions之上，隱蔽了底層智能卡的不同技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了卡接口的統(tǒng)一和編程語(yǔ)言的統(tǒng)一。
Java Card Framework（Java卡框架）為開(kāi)發(fā)人員定義了一整套API，主要負(fù)責(zé)運(yùn)行Java卡Applet以及為Applet運(yùn)行提供所需要的環(huán)境。
Card OS、Java Card VM和Java Card Framework共同組成了JCRE(Java卡運(yùn)行時(shí)環(huán)境)。Industry Specific Extensions是服務(wù)方所提供的類(lèi)，使企業(yè)與公司能夠提供屬于自己的服務(wù)程序。例如，如果這張卡是GSM網(wǎng)絡(luò)的SIM（用戶識(shí)別模塊）卡，那么這一層就是SIM卡所需的接口類(lèi)。
（4）Java Card API
Java Card的2.1版包括四個(gè)包：Javacard.lang package、Javacard.frame work package、Javacard.security package和Javacardx.cryp to package。
Javacard.lang package提供Java程序語(yǔ)言中重要的類(lèi)，例如所有Java類(lèi)的根類(lèi)Object類(lèi)。
Javacard.frame work package是Java Card API的核心包，提供了實(shí)現(xiàn)Java Card Applet基本類(lèi)和工具。其中ISO7816抽象接口提供了ISO7816所使用的常數(shù)值。PIN(個(gè)人識(shí)別號(hào)碼)抽象接口使其子類(lèi)能夠驗(yàn)證PIN是否合法。Shareable抽象接口使得不同的Applet能夠互相通信。AID類(lèi)使得JCRE能夠通過(guò)一個(gè)AID表來(lái)識(shí)別Applet。APDU類(lèi)通過(guò)管理一個(gè)緩沖區(qū)來(lái)接收與傳送終端的指令以及回傳Applet運(yùn)行結(jié)果與狀態(tài)。Applet類(lèi)是所有Java Card Applet的根類(lèi)，管理Java Card Applet的生命周期。JCSystem類(lèi)管理Applet與Java Card的系統(tǒng)資源，如AID與事務(wù)。OwnerPIN類(lèi)管理卡片持有者的PIN，并提供相關(guān)驗(yàn)證與更新等方法。Util類(lèi)提供了開(kāi)發(fā)中的常用工具。
Javacard.security package負(fù)責(zé)提供安全機(jī)制，包括Key抽象接口、KeyBuilde類(lèi)和MessageDisest類(lèi)。
Javacardx.cryp to package包含了關(guān)于加密與安全的抽象接口和類(lèi)。
（5）Java卡應(yīng)用的開(kāi)發(fā)
Java卡的生命周期從操作系統(tǒng)、JVM、API庫(kù)和可選的Applet被寫(xiě)入Java卡的ROM開(kāi)始。在正式使用之前，Java卡要經(jīng)過(guò)初始化（在卡上寫(xiě)入制造商和發(fā)行商名稱等通用信息）和個(gè)人化（在卡上寫(xiě)入密鑰等個(gè)人信息）。然后用戶就可以購(gòu)買(mǎi)并使用Java卡了，當(dāng)然還要與讀卡器相配合。Applet的生命周期從被安裝并注冊(cè)到Java卡系統(tǒng)開(kāi)始，在被從系統(tǒng)注冊(cè)表中刪除時(shí)結(jié)束，在被選擇時(shí)激活。
Java卡的應(yīng)用程序可以用一般的Java編譯器來(lái)編譯。但是由于智能卡只有有限的存儲(chǔ)器資源和計(jì)算功能，Java卡上的應(yīng)用開(kāi)發(fā)與普通的Java程序開(kāi)發(fā)有很大的不同，很多Java語(yǔ)言的特性在Java卡應(yīng)用的開(kāi)發(fā)中都不能使用。Java卡的應(yīng)用開(kāi)發(fā)（在Windows系統(tǒng)下）過(guò)程如下：
①安裝JDK和Java Card 2.1.1 Development Kit；
②設(shè)置有關(guān)環(huán)境變量；
③編輯Java源代碼，可以使用任何Java代碼編輯工具；
④編譯Java源代碼，用Java編譯器編譯Java源代碼，生成class文件；
⑤生成Cap文件，在Java卡上不能直接運(yùn)行class文件，必須用Java卡轉(zhuǎn)換器（converter）、把class文件轉(zhuǎn)換為Cap文件；
⑥安裝Applet,用PC機(jī)和與之相連的讀卡器把Cap文件安裝到Java卡上。
圖2為Java卡應(yīng)用開(kāi)發(fā)過(guò)程示意圖。
（6）Java卡在移動(dòng)通信領(lǐng)域的應(yīng)用
SIM（用戶識(shí)別模塊）作為一張內(nèi)含大規(guī)模集成電路的智能卡，目前主要用于GSM手機(jī)。最初SIM卡主要用來(lái)存儲(chǔ)一些個(gè)人身份認(rèn)證和識(shí)別信息，例如IMSI、鑒權(quán)密鑰等。SIM卡不能向手機(jī)發(fā)出命令。1998年ETSI（歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)）制定了STK卡（SIM應(yīng)用工具箱技術(shù))的技術(shù)規(guī)范，大大增強(qiáng)了SIM卡的能力。STK卡上可以安裝運(yùn)行應(yīng)用程序，可以向手機(jī)發(fā)出命令，例如在手機(jī)上建立新的菜單。SIM卡還可以收發(fā)短消息甚至發(fā)起呼叫。這樣就可以在SIM卡上運(yùn)行客戶端的軟件，通過(guò)短消息與服務(wù)器交互，同時(shí)通過(guò)菜單為用戶提供友好的界面。
盡管STK對(duì)SIM卡的使用方法進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，但是各個(gè)制造商仍舊使用自己的開(kāi)發(fā)工具為自選的芯片掩膜，因此引入開(kāi)放的SIM卡開(kāi)放平臺(tái)成為必要。ETSI已在其協(xié)議中增加了有關(guān)Java Card的內(nèi)容。GSM SIM卡采用Java Card API在保證安全的同時(shí)提供開(kāi)放的SIM開(kāi)發(fā)，使得STK應(yīng)用在不同制造商的SIM卡上運(yùn)行。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，
軟件開(kāi)發(fā)商可采用開(kāi)放的開(kāi)發(fā)工具，開(kāi)發(fā)出與Java兼容的SIM卡應(yīng)用程序。
ETSI的協(xié)議GSM 03.19是STK Java卡的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了STK Java卡的體系結(jié)構(gòu)。最底層是JCRE和GSM文件系統(tǒng)。之上是GSM框架，提供了一些供Applet接入GSM文件系統(tǒng)的API。在GSM框架之上是SIM Toolkit框架，負(fù)責(zé)Applet的觸發(fā)、注冊(cè)、安裝和卸載，主動(dòng)式命令的處理，Applet的安全性管理。
3 J2ME
（1）J2ME簡(jiǎn)介
J2ME是Sun公司為資源有限的設(shè)備上使用Java編程語(yǔ)言而設(shè)計(jì)的，使用在各種各樣的消費(fèi)電子產(chǎn)品上，例如智能卡、手機(jī)、PDA、電視機(jī)頂盒等。J2ME平臺(tái)是建立在Java編程語(yǔ)言上的，可為資源有限的設(shè)備提供最大的功能。
J2ME目前有兩種配置層。一種是"面向連接的設(shè)備配置"CDC(Connected Device Configuration)，它采用典型的Java虛擬機(jī)技術(shù)。這種全功能的虛擬機(jī)包含了基于臺(tái)式機(jī)系統(tǒng)上的虛擬機(jī)的所有功能，適用于擁有至少幾兆字節(jié)內(nèi)存的設(shè)備。它的目標(biāo)是高檔的消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品和嵌入式設(shè)備，例如智能通信器、高級(jí)"智能"尋呼機(jī)、智能個(gè)人數(shù)字助理（PDA）以及交互式數(shù)字電視機(jī)頂盒。對(duì)于無(wú)線設(shè)備和其它內(nèi)存不足的設(shè)備，J2ME采用"面向連接的受限的設(shè)備配置"CLDC（Connected Limited Device Configuration）技術(shù)。
（2）J2ME對(duì)硬件的最低要求
CDC與CLDC對(duì)硬件平臺(tái)有不同的要求：
CDC-32位的微處理器，大于2MB的存儲(chǔ)器。
CLDC-16位或32位處理器，大于128KB的存儲(chǔ)器。
（3）J2ME軟件體系結(jié)構(gòu)
圖3所示為J2ME軟件體系結(jié)構(gòu)。
Java Virtual Machine Layer（Java虛擬機(jī)層）是Java虛擬機(jī)的一個(gè)實(shí)現(xiàn)，它是為特定設(shè)備的主機(jī)操作系統(tǒng)定制的，而且支持一個(gè)特定的J2ME配備。CDC配置的JVM是CVM(C虛擬機(jī))，CLDC配置的JVM是KVM(K虛擬機(jī))。
Configuration Layer（配置層）定義了Java 虛擬機(jī)功能和特定類(lèi)別設(shè)備上可用的Java類(lèi)庫(kù)的最小集。從某種程序上說(shuō)，一個(gè)配置定義了Java平臺(tái)功能部件和庫(kù)的共同性，開(kāi)發(fā)者可以假設(shè)這些功能部件和庫(kù)在屬于某一特定類(lèi)別的所有設(shè)備上都是可用的。
Profile Layer（框架層）定義了特定系列設(shè)備上可用的應(yīng)用程序編程接口的最小集?？蚣茉谝粋€(gè)特定的配置上面實(shí)現(xiàn)，在配置層上增加適用特定規(guī)格的配置文件，如MIDP就是用于移動(dòng)終端的配置文件。應(yīng)用程序是針對(duì)特定的框架編寫(xiě)的，因此可以移植到支持該框架的任何設(shè)備上，一個(gè)設(shè)備可以支持多個(gè)框架。
（4）J2ME API
CDC提供支持全兼容Java 2虛擬機(jī)所必需的最小API集。這一API集包括所有為CDC定義的API和針對(duì)文件I/O、網(wǎng)絡(luò)連接、高級(jí)完全性、對(duì)象序列等API。其中Java.io支持系統(tǒng)輸入與輸出，Java lang Java提供編程語(yǔ)言基本類(lèi)，Java.lang.ref包括了一些特別參考類(lèi)，Java.lang.reflect提供對(duì)反映的支持，Java.math支持?jǐn)?shù)學(xué)運(yùn)算，Java.net提供用于網(wǎng)絡(luò)連接的類(lèi)和工具，Java.security提供完全支持，Java.security.cert提供證書(shū)支持，Java.text提供文本處理類(lèi)，Java.util包括集合、日期和時(shí)間支持等各種實(shí)用工具類(lèi)，Java.util.jar提供Jar文件支持，Java.util.zip提供Zip文件支持，支持Javax.microedition類(lèi)屬連接。
由于MIDP/CLDC API將在一個(gè)性能有限的設(shè)備上運(yùn)行，因此Java的一些功能被取消或修改。Java.lang、Java.io、Java.util包是J2SE包中標(biāo)準(zhǔn)類(lèi)的一個(gè)子集。Javax.microedition.io包提供了對(duì)網(wǎng)絡(luò)連接的支持，Javax.microedition.io包中的主要對(duì)象是Connector類(lèi)。可將該類(lèi)強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為不同的連接類(lèi)型，例如HttpConnection。Javax.microedition.lcdui提供了用于定義midlet用戶接口的類(lèi)。Javax.microedition.rms包用來(lái)在設(shè)備上實(shí)現(xiàn)一個(gè)臨時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，當(dāng)然該數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)和獲取信息的性能受到設(shè)備的限制。Javax.microedition.midlet中包含有MIDlet的類(lèi)。MIDlet類(lèi)執(zhí)行midlet的生命周期，并且提供getAppProperty(key）方法來(lái)由應(yīng)用屬性中獲取信息。應(yīng)用屬性設(shè)置在jad(Java應(yīng)用程序描述器）文件中。
（5）Java卡在移動(dòng)通信領(lǐng)域的應(yīng)用
CLDC和MIDP為創(chuàng)建移動(dòng)電話應(yīng)用程序提供了完整的環(huán)境。MID框架的核心是一個(gè)MIDlet應(yīng)用程序，所有應(yīng)用程序MIDlet都繼承MIMlet類(lèi)，以允許應(yīng)用程序管理軟件對(duì)MIDlet進(jìn)行控制、從應(yīng)用程序描述符檢索屬性以及對(duì)狀態(tài)變化進(jìn)行通知和請(qǐng)示。MIDlet類(lèi)提供了用于調(diào)用、暫停、重新啟動(dòng)和終止MIDlet應(yīng)用程序的API。應(yīng)用程序管理軟件可以在運(yùn)行時(shí)環(huán)境內(nèi)管理多個(gè)MIDlet的活動(dòng)。此外，MIDlet可以自己發(fā)起一些狀態(tài)變化，并把這些變化通知給應(yīng)用程序管理軟件。
移動(dòng)電話J2ME MIDP應(yīng)用程序包括用戶界面開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)庫(kù)程序開(kāi)發(fā)和網(wǎng)絡(luò)程序開(kāi)發(fā)。
Javax.microedition.lcdui包中包括了用于用戶界面開(kāi)發(fā)的各種類(lèi)。用戶界面的根類(lèi)是Display，所有的用戶界面類(lèi)都是在Display里顯示出來(lái)的Displayable對(duì)象，Display對(duì)象是其它對(duì)象演示的舞臺(tái)，應(yīng)用程序道德需要獲得Display對(duì)象的引用，然后就可以把場(chǎng)景對(duì)象放入演示舞臺(tái)中。MIDP提供了Screen和Canvas兩種演示場(chǎng)景。Screen的子類(lèi)包括Alert、Form、List和TextBox。Javax.microedition.lcdui中定義了Command類(lèi)來(lái)接收用戶的輸入信息，又在Display類(lèi)中定義了Screen對(duì)象與Command對(duì)象組合的方法，使得應(yīng)用程序能夠響應(yīng)用戶的輸入。
在Screen場(chǎng)景中可以使用的對(duì)象包括Alert(信息窗口)、Form（窗體）、List（選項(xiàng)列表）和TextBox（文本框）。其中Form可以放置Item類(lèi),包括TextFiled（文本字段）、StringItem（字符串項(xiàng)目）、ImageItem（圖像項(xiàng)目）、DataField（日期字段）、ChoiceGroup（選項(xiàng)集合）和Gauge(標(biāo)尺）。TextBox使應(yīng)用程序能夠在屏幕上顯示文本框；Alert類(lèi)似于消息框，可以為用戶提供一些信息；List類(lèi)以列表的形式提供選項(xiàng)使用戶選擇；Form是一個(gè)容器對(duì)象，可以放置包括文本字段、字符串項(xiàng)目、圖像項(xiàng)目、日期字段、選項(xiàng)集合和標(biāo)尺等在內(nèi)的Item對(duì)象。
Canvas是Displayable中用來(lái)給開(kāi)發(fā)者創(chuàng)建整個(gè)用戶接口的，用于創(chuàng)建復(fù)雜的用戶界面，例如視頻游戲中使用的界面。用戶在Canvas對(duì)象上的繪畫(huà)與Applet中的AWT Canvas類(lèi)似。
Javax.microedition.rms定義了在設(shè)備上實(shí)現(xiàn)一個(gè)臨時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)程序開(kāi)發(fā)的類(lèi)。其中采用由字節(jié)數(shù)組RMS（記錄管理系統(tǒng)）機(jī)制，使用稱為RecordStore（記錄存儲(chǔ)區(qū)）的小型數(shù)據(jù)庫(kù)。每個(gè)記錄存儲(chǔ)區(qū)對(duì)象是Javax.microedition.rms類(lèi)的一個(gè)實(shí)例。記錄存儲(chǔ)區(qū)是由字節(jié)數(shù)組組成的記錄構(gòu)成的。RecordStore提供了用于用戶操作記錄和管理存儲(chǔ)區(qū)的方法，對(duì)記錄的操作包括增加、刪除、更新和查詢。
Javax.microedition.io為應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者提供GCF(通用聯(lián)機(jī)框架），用于網(wǎng)絡(luò)編程。網(wǎng)絡(luò)編程的根類(lèi)是Connecter，通過(guò)Connecter提供了HTTP、SOCKET、Datagram（數(shù)據(jù)報(bào)）和Serial Port（串行口）等網(wǎng)絡(luò)通信方式，其中HTTP為設(shè)備的必選項(xiàng)。
（6）J2ME MIDP應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)過(guò)程
Sun公司最近推出的工具包J2ME WTK（Java 2 Micro Edition Wireless Toolkit）簡(jiǎn)化了MIDlet的開(kāi)發(fā)，為MIDlet開(kāi)發(fā)提供了一個(gè)全面的工具包。應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)過(guò)程如下：
①安裝J2SE或者Java Runtime Enviroment。
②安裝J2ME WTK。
③配置仿真器。
④編輯Java源文件，可以使用任何Java代碼編輯工具。
⑤編譯Java源代碼，用Java編譯器編譯Java源代碼，生成Class文件。除了編譯以外，編譯器還會(huì)檢查源文件中有沒(méi)有使用CLDC和MIDP以外的類(lèi)和屬性及方法。
⑥驗(yàn)證字節(jié)碼。
⑦封裝成MIDlet Suite，把經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的Class文件及應(yīng)用程序中將用到的資源文件封裝成JAR文件，這一步會(huì)生成JAD文件和mainfest文件。
⑧測(cè)試，然后下載到目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行。
結(jié)語(yǔ)
Java本來(lái)就是為嵌入式設(shè)備而設(shè)計(jì)的，但昌隨著因特網(wǎng)的興起，Java在臺(tái)式機(jī)和服務(wù)器端的應(yīng)用開(kāi)發(fā)中取得了巨大的成功。Java在應(yīng)用中充分展示其通用性與完全性等優(yōu)勢(shì)，而這在嵌入式設(shè)備的應(yīng)用開(kāi)發(fā)中是至關(guān)重要的，這使得Java重返嵌入式應(yīng)用開(kāi)發(fā)領(lǐng)域成為必然。STK Java卡和J2ME的成功應(yīng)用昭示著Java在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)中的美好前景。
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