MIPS目標(biāo)平臺(tái)CLDC的Java虛擬機(jī)移植

時(shí)間：2009-12-25 23:37:44

關(guān)鍵字： MIPS JAVA 移植虛擬機(jī)

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[導(dǎo)讀]MIPS目標(biāo)平臺(tái)CLDC的Java虛擬機(jī)移植

1 Java虛擬機(jī)簡(jiǎn)介
    Java ME(Java platform Micro Edition)，以前稱J2ME，是為機(jī)頂盒、移動(dòng)電話和PDA等嵌入式消費(fèi)電子設(shè)備提供的Java語言平臺(tái)，它包括虛擬機(jī)和一系列標(biāo)準(zhǔn)化的Java API(Application Programming Interface)。Java語言的平臺(tái)無關(guān)性使其廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，而嵌入式領(lǐng)域Java ME技術(shù)的發(fā)展尤為迅猛。截至2008年底，JavaME技術(shù)已應(yīng)用于全球26億部移動(dòng)手機(jī)、部署了60億個(gè)Java Cards、4 000萬臺(tái)以上的藍(lán)光設(shè)備和TV設(shè)備，遍及移動(dòng)開發(fā)的各個(gè)領(lǐng)域。
    Java虛擬機(jī)(JVM，Java Virtual Machine)是實(shí)現(xiàn)Java語言平臺(tái)無關(guān)性的關(guān)鍵。Java虛擬機(jī)是Java技術(shù)的重要組成部分，它是一個(gè)抽象的運(yùn)算機(jī)器，有一套自己的指令集，可在運(yùn)行時(shí)操縱內(nèi)存的各個(gè)區(qū)域。
    嵌入式的Java虛擬機(jī)主要有兩大類：
    (1)CLDC VM
    CLDC VM(Connected Limited Device Configuration Virtual Machine)是連接受限的設(shè)備配置的虛擬機(jī)，以前稱為KVM(Kilobyte Virtual Machine，千字節(jié)虛擬機(jī))。CLDC VM一般用于內(nèi)存很少(如1 MB以內(nèi))、CPU處理能力弱(如幾MHz)的嵌入式設(shè)備。Sun公司于2000年發(fā)布CLDC 1．0規(guī)范及KVM的參考實(shí)現(xiàn)，之后于2006年將KVM參考實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)到開源社區(qū)，并重命名為phoneME Fea-ture。至2009年，phoneME Feature先后經(jīng)歷了MR1、MR2、MR3、MR4版。本文基于phoneME Feature MR4。通常CLDC VM的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    其中MIDlet是各種Java ME應(yīng)用程序，運(yùn)行于CLDC虛擬機(jī)之上。
    (2)CDC VM
    CDC VM(Conntected Device Configuration Virtual Machine)是已連接的設(shè)備配置的虛擬機(jī)，簡(jiǎn)稱CVM。CVM一般用于智能手機(jī)、數(shù)字機(jī)頂盒、PDA等嵌入式設(shè)備。
    phoneME Feature MR4軟件是一個(gè)高性能的虛擬機(jī)，它不僅遵循CLDC規(guī)范，還實(shí)現(xiàn)了高效的資源管理，以及對(duì)多任務(wù)的支持等。與早期的KVM虛擬機(jī)相比，CLDC VM增加了如下特征：
    ◆支持CLDC 1．0、CLDC 1．1和CLDC 1．1．1；
    ◆改進(jìn)Java應(yīng)用程序的啟動(dòng)時(shí)間和執(zhí)行速度；
    ◆支持AOT(Ahead-Of-Time，提前)編譯技術(shù)；
    ◆支持原地執(zhí)行(in-place execution)功能；
    ◆支持多任務(wù)功能。

2 CLDC VM移植原理
phoneME Feature軟件是一個(gè)功能完整的虛擬機(jī)，它通過了Sun公司的TCK(Technology Compatibility Kit，技術(shù)兼容工具包)兼容測(cè)試集。phoneME Feature直接支持兩種CPU架構(gòu)：x86架構(gòu)和ARM架構(gòu)。在這兩種架構(gòu)上移植僅需少量修改，而要移植到MIPS架構(gòu)則需做較多修改。phoneME Feature軟件的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    ①JavaCall API移植層：該層提取目標(biāo)平臺(tái)的需求，實(shí)現(xiàn)必須移植的函數(shù)集，是基于目標(biāo)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)。pho-neME Feature的主要移植工作集中于此層。
    ②MIDP／CLDC層：是嵌入式Java虛擬機(jī)的核心部分。其中CLDC為資源受限的設(shè)備定義了應(yīng)用編程接口和虛擬機(jī)的基礎(chǔ)函數(shù)集，MIDP(Mobile Information Device Profile，移動(dòng)信息設(shè)備簡(jiǎn)表)則提供應(yīng)用程序環(huán)境和應(yīng)用程序所需的大量服務(wù)。
    ③PCSL(Portable Common Services Library，可移植的通用服務(wù)庫)層：提供底層服務(wù)，供CLDC、MIDP和其他可選包調(diào)用。
    ④抽象層：是一套函數(shù)集，所有擴(kuò)展JSR包通過抽象層接口與MIDP／CLDC層進(jìn)行交互。
    ⑤擴(kuò)展JSR包：為虛擬機(jī)提供擴(kuò)展功能。擴(kuò)展JSR包種類很多，可根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展。如支持藍(lán)牙和OBEX(對(duì)象交換)功能的JSR82擴(kuò)展包、支持Web服務(wù)的JSR172包、支持定位功能的JSR179包、支持在線支付功能的JSR229包等。
    Java虛擬機(jī)的移植首先要確定兩件事：一是目標(biāo)CPU，二是目標(biāo)OS(操作系統(tǒng))。OS移植比較簡(jiǎn)單，移植工作集中在虛擬機(jī)自身和核心CLDC庫上；而CPU移植則較為復(fù)雜，因?yàn)閰R編解釋器和適配的編譯器十分依賴于目標(biāo)CPU架構(gòu)。

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3 CLDC VM移植過程
    phoneME Feature軟件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了完全的模塊化。它使用一個(gè)名為includeDB的配置數(shù)據(jù)庫來管理項(xiàng)目源文件和頭文件，可根據(jù)目標(biāo)CPU架構(gòu)和目標(biāo)OS需求在配置數(shù)據(jù)庫內(nèi)添加或修改相應(yīng)的文件。使用includeDB配置數(shù)據(jù)庫，避免了#ifdef宏散布于整個(gè)源碼區(qū)間，還避免了使用復(fù)雜的#ifdef嵌套語句結(jié)構(gòu)。
    includeDB配置數(shù)據(jù)庫位于src／vm／includeDB，它是純文本文件，針對(duì)目標(biāo)CPU架構(gòu)和目標(biāo)OS需求進(jìn)行添加或修改的頭文件和函數(shù)文件都應(yīng)在該配置文件中進(jìn)行注冊(cè)。
    檢查includeDB文件，可立即得到在OS移植或CPU移植時(shí)需要注意的文件。在建立移植軟件時(shí)，還使用ineludeDB配置數(shù)據(jù)庫來跟蹤文件的依賴關(guān)系。為MIPS目標(biāo)平臺(tái)建立的頭文件和函數(shù)文件都需要添加到includeDB數(shù)據(jù)庫。
    phoneME Feature軟件具有良好的模塊化結(jié)構(gòu)，其移植工作集中于JavaCall層。移植模型如圖3所示。

    針對(duì)MIPS目標(biāo)架構(gòu)的移植過程如下：
    (1)OS移植
    目標(biāo)OS為經(jīng)裁剪的通用Linux系統(tǒng)，內(nèi)核為2．6．12版。phoneME Feature軟件的大多數(shù)代碼文件都與OS無關(guān)，只有極少的幾個(gè)文件涉及目標(biāo)OS。OS移植接口分為兩部分：一部分為OS通用部分，它位于源碼目錄src／vm／share／runtime下，適合大多數(shù)OS；另一部分則針對(duì)目標(biāo)OS，位于源碼目錄src／vm／os／linux下。
    OS指定的移植接口由／src／vm／share／runtime目錄下的OS．hpp和OS．cpp文件進(jìn)行定義。實(shí)際上這兩個(gè)文件只實(shí)現(xiàn)了一個(gè)Os類，向虛擬機(jī)提供特殊功能。
    OS移植接口的其他部分包括文件系統(tǒng)(由OsFile．hpp和OsFile．cpp定義)、線程(由Thread．hpp和Thread．cpp定義)、事件處理(由Task．hpp、Task．cpp、TaskCon-text．cpp、TaskContext．hpp和TaskList．hpp等定義)、內(nèi)存管理(由OsMemory．hpp和OsMemory．cpp等定義)等。針對(duì)目標(biāo)OS的移植，需建立／src／vm／os／mips目錄(以MIPS目標(biāo)架構(gòu)命名)，在目錄下需創(chuàng)建下列文件：JVM_mips．hpp、JVM_mips．cpp；OS_mips．hpp、OS_mips．cpp；OsFile_mips．hpp、OsFile_mips．cpp；OsMemo-ry_mips．hpp、OsMemory_mips．cpp；OsMisc_mips．hpp、OsMisc_mips．cpp。
    根據(jù)需要，可能還需創(chuàng)建OsSocket_mips、Globals_mips等文件。這些文件是文件系統(tǒng)、線程、事件處理、內(nèi)存管理等在目標(biāo)OS的具體實(shí)現(xiàn)。如OS_mips．cpp中實(shí)現(xiàn)了取寄存器值、取PC指針值、為PC指針值賦值、sleep等方法。需強(qiáng)調(diào)的是，OS_mips．cpp文件中有兩個(gè)方法非常重要，且必須實(shí)現(xiàn)：
    ◆static void initialize()；／／用于初始化OS，如定時(shí)器、線／／程、I／O等
    ◆static void dispose()；／／用于撤銷初始化的所有工作，／／清除線程和其他OS活動(dòng)
    (2)CPU移植
    CPU移植的工作主要有兩個(gè)：一是移植解釋器和解釋器的產(chǎn)生器；二是移植相應(yīng)的編譯器。
    CPU移植的難點(diǎn)在于編譯器的優(yōu)化和調(diào)整，因?yàn)樘摂M機(jī)的匯編解釋器和相應(yīng)的編譯器依賴于具體的CPU架構(gòu)。建立／src／vm／cpu／mips目錄，并編寫相關(guān)文件。以解釋器的產(chǎn)生器為例，需要編寫(包括頭文件和源文件)：Assembler_mips、SourceAssembler_mips、SourceMacros_mips、Disassembler_mips、TemplateTable_mips、Interpret-erGenerator_mips、NativeGenerator_mips、SharedStubs_mips、InterpreterStubs_mips、CompilerStubs_mips等。
    (3)JavaCall移植
    JavaCall函數(shù)集被分成多個(gè)子系統(tǒng)。這些子系統(tǒng)包括：圖形子系統(tǒng)、內(nèi)存管理、LCD顯示、字體、文件和目錄、Socket套接字等。
    以移植文件系統(tǒng)接口為例：CLDC虛擬機(jī)使用了類似POSIX標(biāo)準(zhǔn)C庫的文件API，由于目標(biāo)平臺(tái)是基于Linux的，所以不需要映射OsFile_read()方法到目標(biāo)操作系統(tǒng)。要確保CLDC虛擬機(jī)能正確操作OS下的文件，需要驗(yàn)證以下接口：
    ◆im OsFile_remove(const JvmPathChar*filename)
    ◆bool OsFile_rename(const JvmPathChar*from，constJvmPathChar*to)
    ◆im OsFile_open(const JvmPathChar*filename，constchar*mode)
    ◆int OsFile_close(OsFile_Handle handle)
    ◆int OsFile_flush(OsFile_Handle handle)
    ◆size_t OsFile_read(OsFile_Handle handle，void*buffer，size_t size，size_t count)
    ◆size_t OsFile_write(OsFile_Handle handle，const void*buffer，size_t size，size_t count)
    以上接口實(shí)現(xiàn)了文件的常用操作，如文件的打開、讀、寫、關(guān)閉、刪除、重命名等。

4 CLDC VM移植驗(yàn)證
完成以上移植所需的修改后，建立Makefile，設(shè)置所需的環(huán)境變量，使得phoneME Feature成功通過交叉編譯，生成目標(biāo)系統(tǒng)所需的CLDC VM虛擬機(jī)。
移植的驗(yàn)證較為簡(jiǎn)單，將交叉編譯生成的cldc_vm可執(zhí)行文件、庫文件以及Demo示例文件復(fù)制到目標(biāo)平臺(tái)，運(yùn)行并檢查結(jié)果。命令結(jié)構(gòu)是：bin／cldc_vm．exe-class-path location-of-compiled-applications／classes classname。

5 CLDC VM移植優(yōu)化
    CLDC虛擬機(jī)的移植優(yōu)化可以從幾方面進(jìn)行：
    ①優(yōu)化參數(shù)。在虛擬機(jī)建立過程中，phoneME提供了很多選項(xiàng)，針對(duì)不同的目標(biāo)平臺(tái)使用不同的選項(xiàng)。
    ②Thumb指令集的開關(guān)。ARM等CPU支持Thumb指令集，phoneME也支持Thumb指令集。如果目標(biāo)平臺(tái)支持Thumb指令集，可以開啟Thumb開關(guān)，加快虛擬機(jī)執(zhí)行速度。
    ③其他。對(duì)虛擬機(jī)的優(yōu)化還可從編譯器自身、內(nèi)存子系統(tǒng)等方面進(jìn)行優(yōu)化。

結(jié) 語
基于phoneME Feature軟件生成的CLDC虛擬機(jī)與早期的KVM虛擬機(jī)相比，性能得到較大改善，尤其是在多任務(wù)支持方面(早期的KVM虛擬機(jī)不支持多任務(wù)功能)。筆者在Broadcom 7403和NXP 225上成功實(shí)現(xiàn)CLDC VM的移植。下一步的工作是在國產(chǎn)數(shù)字電視SoC芯片上實(shí)現(xiàn)CLDC VM的移植。目前多核技術(shù)是計(jì)算機(jī)行業(yè)的研究熱點(diǎn)，并逐步向嵌入式領(lǐng)域發(fā)展，因此支持多核CPU技術(shù)和并行技術(shù)的CLDC虛擬機(jī)將是未來的研究方向之一。