（通信与信息系统专业论文）java技术在远程dsp实时实验系统中的应用.pdf

华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 摘要 本文讨论了j a 、，a 技术在远程d s p 实时实验系统中的应用。随着现代教育的发 展，接受教育的对象越来越广泛，人员数量也在不断增加。传统的教育手段和方法 受到更大的挑战。远程教育以灵活的方式受到广泛的重视和研究。在工科类专业中， 实验是学生完成学业的重要环节，因此，研究切实可行的远程实验系统也成为当前 远程教育研究中的重要课题。 未来的计算机体系是基于w e b 的分布式计算，j a v a 无疑是当前满足这一趋势的 最佳语言，由于其本身的开放性体系以及其简洁的语法，国内j a v a 技术应用得以蓬 勃发展起来。另外，j a v a 技术中的j s p 技术也有着更强的优势。j s p 是基于j a v a s e r v l e t 以及整个j a v a 体系的w e b 开发技术，利用这一技术可以建立先进、安全、快 速和跨平台的动态网站。在传统的网页h t m l 文件中加入j a v a 程序片段和j s p 标记， 就构成了j s p 网页。w e b 服务器接收到访问j s p 网页的请求时，首先执行其中的程 序片段，然后将执行结果以h t m l 格式返回给客户。程序片段可以操作数据库、重 新定向网页以及发送e m a i l 等等，这就是建立动态网站所需要的功能。所有程序操 作都在服务器端执行，网络上传送给客户端的仅是得到的结果，对客户浏览器的要 求很低。 本文第四章主要研究和讨论了j a 、，a 的串口通信技术，完成了利用j a v a 通过 r s 2 3 2 串口完成服务器和单片机的通信工作以及相关协议的研制。提出了一套类似 于网络通信中的停等协议豹通信协议算法，同时完成了j a v a 驱动串口的程序的流程 研制。同时，通过对远程控制c c s 的方案的讨论，完成了实验中的核心部分的设计。 本文的研究为远程实时实验系统提供了一种切实可行的解决方案。对传统的实 验方式的改进提出了新的尝试。文中对j a v a 的串口通信的应用研究，可用于其它远 程监控系统中的计算机和设备通信问题的解决方案。 关键词：远程教育、远程实验、j a v a 、j s p 、通信、协议 华中科技大学硕士学住论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rd i s c u s s e dt k ea p p l i c a t i o no fj a v ai nt h ed i s t a n c er e a lt i m ee x p e r i m e n t s y s t e m o fd s p w i t ht h ed e v e l o p i n go fm o d e me d u c a t i o n 。m o r ea n dm o r e p e o p l ea c c e p t t h ee d u c a t i o n t h e r ei sa l a r g e rc h a l l e n g e f o rt h et r a d i t i o n se d u c a t i o nm e a n s t h ed i s t a n c e e d u c a t i o nm o d e lh a sb e e nm o r er e s e a r c h e da n da u e n t i v e df o rt h ef l e x i b l ee d u c a t i o n w a y i nt h ee n g i n e e r i n gf i e l d 。e x p e r i m e n ti s a ni m p o r t a n tp a r tf o rt h es t u d y s o , t h e r e s e a r c ho ft h ed i s t a n c ee x p e r i m e n ts y s t e mi sb e c o m i n ga ni m p o r t a n tt a s ki nt h er e s e a r c h o f d i s t a n c ee d u c a t i o n i nt h ef u t u r e 。t h ec a l c u l a t o rs y s t e mi st h ed i s t r i b u t ec a l c u l a t o rs y s t e mt h a tb a s e dw e b j a v ai st h eb e s tl a n g u a g ed o u b t l e s sw h i e ti ss a t i s f i e df o rt h i st r e n d b e c a u s eo ft h eo p e n a n dt h eb r i e fq u a l i t y ，t h ea p p l i c a t i o no fj a v ac a i lb o o m i n gd e v e l o pi nn a t i v e ，m o r e o v e r ， t h ej s pi nj a v ah a v eg o tt h em o r es 订o n ga d v a n t a g e t h et r a d i t i o n a lw e bp a g ec a i l b e c o m et h e s pw e bp a g eb ya d d i n gj s pm a r k i n ga n dj a v a p r o g r a mi nt h et r a d i t i o n a l w e b p a g e sh t m l d o c u m e n t w h e nt h ew e b $ f f f v e rr e c e i v e st h ea p p l i c a t i o no ft h ej s p w e b p a g e ，f i r s t l y , i tc a r r y so u t t h ej a v a p r o g r a m ，t h e n ，r e t u r n st h er e s u l tw i t ht h eh t m l f o r r n a tt ot h ec u s t o m e r t h e s ep r o g r a n lc a r to p e r a t et h ed a t a b a s e ，c o n n e c tt h en e ww e b p a g ea n ds e n d o u tt h ee m a i le t c 啦si st h en e e d i n gt oe s t a b l i s ht h ed y n a m i cf u n c t i o nf o r w e b s i t e f o rt h ep r o g r a m sc a r r i e do u ti nt h es e w e ra n dt h en e to n l yd e l i v e r st h er e s u l tt o t h ec u s t o m e r s ，i ti sv e r yl o w f o rt h er e q u e s t i n go f c l k s t o m e r s c o m p u t e r i nt h ec h a p t e r4 ，w er e s e a r c ht h es e r i e s w o u n dc o m m u n i c a t i o ni nt h ej a v a w e h a v et h er e s u l to ft h ec o m m u n i c a t i o nm e t h o db e t w e e nt h es e r v e ra n dt 1 1 es c ma n dt h e p r o t o c o lb yj a v a w eb r i n gu pap r o t o c o l l i k et h es t o pa n dw a i t i n gp r o t o c o li nt h e n e t w o r k 。胁c o m p l e t e t h er e s e a r c hf o rt h e p r o g r a l t lt od r i v i n gs e r i e s - w o u n db yt h ej a 蹦 w ed i s c u s $ t h ep l a nf o rr e m o t ec o a t r o lt h ec c si nt h ec h a p t e r3a n dd e s i g nt h ec o r e p r o g r a m o ft h i ss y s t e m n er e s e a r c hi nt h i sp a p e rp r o v i d e saw a yt oe s t a b l i s h i n gt h ed i s t a n c ee x p e r i m e n t s y s t e m w ep r o v i d et h er t e wt r yt oc h a n g i n gt h et r a d i d o n a lm e t h o do fe x p e r i m e n t ，n e r e s u l to fr e s e a r c h f o rj a v ac ；a nb eu s e di nt h e s y s t e m w h i c hh a st h en e e do f c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ec o m p u t e ra n d e q u i p m e n t k e y w o r d s ：d i s t a n c ee d u c a t i o n ，d i s t a n c ee x p e r i m e n t ，j a v a ， j s p , c o m m u n i c a t i o n ，p r o t o c o l i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：谳 r 期：聊牛年争月加r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于， f 不保密曰。 ( 请在以上方框内打“”) 学位t 仑文作者签名：1 锣鲫曳 i = t 期：加毕年年月功同 指导教师签名 同期：跏叶年斗月；，只 华中科技大学硕士学位论文 1 1 远程教育的发展 1 概述 远程教育是随着现代信息技术发展而产生的一种新型的教育形式，它的特征是把 电脑技术、多媒体技术、计算机网络通讯技术等高新技术应用于远程教育和实验中， 兼容多种教学形式，优化和有机组合不同媒体。当前，无论是传统大学，还是广播电 视大学，都纷纷采用和发展远程教育模式，网上教学尤其受到青睐。 i j 1 2 l 远程教育可以深入到人们的生活世界，提供平等的教育机会，使成人有第二次学 习机会：真正是以学习者为中心，强调自主独立的自我导向学习可由学习者依自己 的需求选择学习内容、时间、地点和速度，通过多种媒体的辅助来学习，不仅突破丁f 规教育与学习的拘束，也能超越时空的限制。1 1 1 1 1 1 远程教育的发展趋势 电脑的出现，使人类进入了信息技术的新世界，电脑网络的出现，更意味着社会 生活的各个领域，其活动展开的主导方式走向网络化、数字化与信息化【l l 【2 1 1 3 1 。随着技 术的出现与发展。宦4 造出一种区剐于自然的鼹络虚拟环境，这种环境，将成为远程教 育活动展开所依赖的主导环境。随着网络化程度的提高，远程教育的组织与实施将逐 渐由群体形式转变为个体形式，使教育的社会性更为增强， 受正式教育的各种界限将逐渐被打破，国际化、大众化、终身化成为远程教育的 主要特征。网络可以让任何年龄的每个学生设计自己的课程，并亲身体验这些课程。 以计算机网络、卫星、电视的互动式科技，促使教师改变角色，从信息传递者变为信 息转换者，各种学习方式的创薪，如通过入枫交流和人机对话，器有可能让世界上任 何地点的任何人，在任何时阐里学习，获得知识与技能。i h 2 1 。 教育技术层面的变革和活动方式的变化，使得个体学习成为教育的主导方式，从 而使终身学习的观念成为一种可以操作与实践的现实。正因为如此，终身学习的观念 将替代终身教育的观念而成为远程教育时代人们所普遍持有的一种教育观念。因为远 华中科技大学硕士学位论文 程教育可使信息与资源有效统合，不再受地点的影响只要连上线都可以自由、自主 获取信息与资源、或提供他人使用的信息与资源。因此，在远程教育时代，学习者自 我设计与发展的观念将取代传统的主要由钋在力量对受教育者进行教与育的观念而成 为个人学习与发展的主导观念。【2 】 由于传统的班缀教育形式的逐渐瓦解和教育机构与非教育机构界线的同益模糊， 从而使学生与教育者及社会的关系更为密切。可以说，f 是由于教育新技术的发展 与运用，最终打破了传统的教育组织形式和活动方式，也消解了师生、学生之削原有 的时空限制，从而实现了教与学、学与学以及教学与实践之间的自由的多向互动。因 此，开放互动的观念，正是对远程教育时代教与学、学与学、教学与实践新型关系的 反映。 远程教育作为人类社会生活的一个重要领域，计算机及其网络化的渗透和影响则 更为广泛、深入与深刻，其主要体现在：第一、依课程的不同，选择同步、菲同步、 或编写不同媒体形式的教材；第二、智慧型学习软体也可放入网络的服务站内，以进 行多媒体的电脑辅助教学；第三、学习者可依自己的程度进行学习，并可用浏览器连 接不同的教材，以进行广泛的学习活动；第四、提供资料库查询功能，进行图文并茂 的搜寻方式：第五、将不同地点，不同的课程教材做筛选与编辑，组成符合自己想要 的资料库，达成高效率的学习活动：第六、形成学习型小组，促进合作与整合学习。 1 1 2 远程教育发展的途径 远程教育是强调即使分隔不同时空的教学者与学习者，一样可以有教学活动，并 不排除面对面的沟通与教学：而且，远程教育必须有协助学习者的双向沟通设计，否 则无法出现教学的过程与活动；同时，远程教育必须运用各种不同传播媒体，来增进 双向沟通的进行，并不以单一媒体为满足，由此可见，远程教育的发展与整体教育及 学习科技的革新息息相关，也是建构终身教育体系的必由之路。园此，远程教育绝不 是远程教学机构的专属领域，而是各级各类教育机构及所有相关的教育设施必须重视 的主要领域。同时当前的远程教育教学系统，必须有很多科技软硬体运用于管理、发 展、产品设计、以及传送教学材料与增进师生间的互动，形成教学者、管理者、学习 2 华中科技大学硕士学位论文 者等多层次的子系统。0 1 2 1 一般来说，远程教育发展主要通过以下三个途径进行： 第一、利用媒体资源的共享性、非线性和多样性i l l 。资源的共享性是指i n t e r n e t 的信息资源非常丰富，只要联接上i n t e m e t ，人们就能够最大限度地共享信息资源：资 源的非线性是指网络资源通常采用超文本技术编排，即将信息组织成某种网状结构， 浏览超文本信息时，可以根据需要，或以线性顺序依次翻阅，或沿着信息单元之间的 链接进行浏览：多样性是指在网络中，信息表现形式除文本外，还包括大量的非文本 信息，如图形、图像、声音信息等。 第二、创设在线学习环境【l 】。网上教学按活动方式可分为同步教学和异步教学。 同步教学具有空间上的自由度，不同地理位置的人可同时参与同一教学活动过程；异 步教学在空间和时间上均具有很大的自由度，可以在任何时间、任何地方登录网络教 学站点进行学习。 第三、进行师生及学生间的交互与协作【”。计算机及其网络环境下的交互是多向 互动型的，既有学生与学习内容的交互，又有学生与教师或其他学生的交互。交互既 可以是异步的，也可以是同步的。异步交互主要指在网络传播环境下，师生或生生之 间利用各种网络工具在网上发表自己的观点或者回答对方提出的问题；同步交互是用 网络技术把师生、生生的两个或多个用户机之间及时连接起来，同时参与交互。 计算机及其网络交互使协作学习成为可能。协作学习是学生在计算机及其网络环 境下共同完成某一任务，或者就某一问题进行讨论，以求获得深刻理解。学生可以不 受时空限制，利用适当的软件工具协同学习。 1 2 远程实验的研究与发展 远程教育是随着现代通信技术和信息技术的发展而产生的一种新型教育模式。i 】【2 l 借助于现代的通信和信息处理技术，远程教育可以有效地发挥现有的各种教育资源优 势，实现教育资源的共享。 在现代教育中，尤其是理工科类专业，实验教学占有非常重要的地位。实验教学 的实践性非常强，由于其实现的特殊性和现代通信技术和信息处理技术的局限性，如 、一- _ _ 1 华中科技大学硕士学位论文 何在现代远程教育中开展远程电子电路实验教学，是一个具有挑战性的课题。【2 1 远程教育( d i s t a n c ee d u c t i o n ) 是一种师生分离的、不能面对面组织的教学模式。 【1 1 2 1 1 3 1 1 4 1 1 5 从教学手段上讲，远程教育有以下几个方面的优势：充分的交互性、学习的自主性、 教育资源的共享性、学习的个性化。 远程教育系统主要由三部分组成：即通信网络、终端设备和教学资源。通信网络 和终端设备构成了远程教育系统的硬件支撵环境，而教学资源是远程教育的软件系统。 1 ) 通信网络 在远程教育网中传送的信息类型很多，而且占用较多网络资源，因此远程教育的 网络系统必须要有足够的带宽。 2 ) 终端设备 终端设备的主要功能是将系统中要传送的信息转换为适合于网络传输的格式，同 时还要负责与通信网络进行信息交换。因此，远程教育系统的终端设备要有处理多种 信息类型的能力。 3 ) 教学资源 通信网络和多媒体终端设备仅仅是教学的手段，远程教育应该充分利用这些手 段，将枯燥乏味的教学内容用多媒体的手段表现出来，将抽象的概念用生动形象的动 画来表现，使学生更容易接受、更容易理解。 在网络远程教育中，需要利用计算机技术和通信网络技术的支持，开发基于网络 条件下的远程实验教学系统，完成实验教学任务。一般有以下几种实现方式： 1 ) 演示实验：演示实验法就是教师通过精心设计的演示实验，引导学生观察，根 据实验现象，师生共同分析、归纳，总结出有关的规律。演示实验是实验教学中的重 要组成部分。在网络条件下进行演示实验主要有视频演示和动画演示两种方式。 2 1 利用网络进行数据传送和处理的远程实验：利用网络进行实验数据传送和处理 的远程实验是利用指学生通过与网络连接的计算机输入数据，这些数据通过网络传送 到服务器，服务器对这些数据进行处理以控制相关实验设备工作，再收集实验数据并 通过网络传送到学生的计算机上。在这种方式下，学生通过给出相关的数据以控制远 4 华中科技大学硕士学住论文 在服务器一端的实验设备，并通过远端设备收集实验数据，同时还可以利用服务器提 供的数据处理程序来处理数据，获得实际操作实验设备的效果。 3 ) 虚拟仪器：在网络教学的条件下，使用虚拟仪器技术可以在屏幕上提供给学生 多种专业实验仪器来完成实验。它可以提高了实验效率，降低了实验成本，增强了学 生学习的积极性，取得较好的教学效果。 4 ) 虚拟w e b 实验室：基于w e b 的虚拟实验即在w e b 中创建出一个可视化的三 维环境，其中每一个可视化的三维物体代表一种实验对象。用户可以利用系统提供的 交互手段对这些三唯物体进行操作。虚拟实验环境可以针对不同的实验科目分别设计 具体的实验环境。虚拟w e b 实验室为学生创造一个类似于实际实验室的虚拟环境， 让学生体验身临其境的感觉，同时通过对三维物体的交互式操作来完成实验，可以比 较好的完成实验教学任务。【2 】 1 3 远程d s p 实验系统的发展 在国内，网络教育已经成为网络技术最重要的应用领域之一。近年来，在国家宏 观政策的推动下，现代网络教育的建设和发展在国内呈现加速发展的势头。但是，我 国的网络教育系统目前还存在一些问题，特别是对于理工科专业的高等教育来说，传 统教学实验可以安排在实验室进行，学生操作实际的仪器设备，进行相互的协同工作， 观测实验的结果。而在目前的网络教育中，能够实现虚拟实验环境的很少，而能够实 现实时远程实验的几乎没有，无法达到应有的教学效果，严重阻碍了网络教育在很多 学科上的发展。实时远程实验和传统的计算机模拟实验是完全不同的，它在广义上似 乎也是一种模拟实验，但它在实验的本体逼真性和应用普遍性，以及在给予实验者现 场实时感受和实验效果等方面，是传统的计算机模拟实验根本无法相比的。 目前国内外已有些大学、研究机构和企业丌始了这方面的研究。国际上著名的 c i s c o 公司提供c i s c o 在线远程实验服务，有效地解决了c i s c o 认证体系的课程无法进 行真实实验开发的问题。而在我国，远程教育和远程服务系统目前还存在诸多问题， 大多只能实现虚拟的实验开发环境，如：华南师范大学远程教学示范系统、北京广播 学院实验演示系统等。而能够进行真实的远程实验开发的平台相当少。目前，北方交 华中科技大学硕士学位论文 通大学研制出了一种远程电子电路实验教学系统w e b l a b ，但它仅是借助现成的 l a b v i e w 虚拟实验软件和相关的硬件系统搭建而成，自主开发的核- t l , 功能很少。南京 大学也研制出了用于微机原理实验的远程实验系统。但对于数字信号处理器这种实时 性要求高的微处理器方面的复杂实验来说，国内尚无相关的产品和研究成果。在国外， 只有美国的黑鹰公司进行了相关的研究，开发出一套基于以太网，服务器端采用 u s b 2 0 接v i 和仿真器相连的远程d s p 开发平台。 1 4 选题背景和意义 开发基于i n t e m e t 的远程实验系统，不仅是远程实验教学的重要组成部分，同时 在军事领域和未来的网络化制造和商业服务上也有着广阔的应用前景，正因为如此， 研究基于i n t e r n e t 的远程实验系统有着广阔的发展空间，本课题就是在这个背景下提 出的。 开发实时远程数字信号处理器( d s p ) 实验开发平台系统，不仅可以满足网络教育中 各高校迫切需要的开设数字信号处理实验课程的要求；还可以为各研究单位、企业中 的研发部门，远程实时地提供进行数字信号处理及相关方面技术开发的服务：也能为 数字信号处理器( d s p ) 的培训机构提供相关的远程培训服务。 具体意义如下： 1 ) 提高d s p 实验系统的利用效率 目前，从d s p 实验课程的情况来看，d s p 实验系统远远不能满足学生实验要求， 在两个人公用一套设备的情况下，仍有很多学生无法获得实验的机会。同时由于人力 和财力限制，实验室也不可能2 4 小时开放，更是降低了实验设备的利用率。如果能够 提供基于网络的实时远程d s p 实验系统，不但是网络教育所急需的，而且也能为普通 本科和研究生教育解决上述问题。 2 ) 降低d s p 实验室的建设成本 建立远程d s p 实验系统，可以由学生自行决定实验时间，降低了实验室的日常维 护和管理工作，可节约实验室的人力和财力。 3 ) 建立远程d s p 实验系统的标准 6 华中科技大学硕士学位论文 目前，国内对远程教育的探索和对远程实验系统的建设取得了一定的成功，但 是在远程实验系统标准建立方面尚无专门的论述。因此，通过远程d s p 实验系统 的开发和建立，建立起一套与之相对应的系统标准，对推动d s p 远程实验系统的建 设具有重要意义。 3 ) 推动远程实验技术的发展与应用 通过本课题的开发，将建立一套实用的客户端应用软件、服务器应用软件和整个 网络的系统框架。由于建立远程实验系统的技术具有相同的技术平台，因此，随着本 课题的技术深入研究和完善。可以烙其中的技术应用于其它远程实验系统的丌发和建 立，对整个远程实验体系起到推动作用。 一：一 华中科技大学硕士学位论文 2j a v a 技术的发展和应用 2 1 j a v a 和其它网络开发工具的比较 在项目软件开发之初，考虑到该项目有两个问题需要解决：一是在服务器和客户 端之间有大量的数据通信。为了能让用户可以通过网页提供的功能控制和观测到d s p 实时运行的参数和结果，需要在服务器和客户端之间进行大量的数据交换，在普通的 网页上肯定无法满足这一实时性需要的，必须在网页中嵌入相应的程序来完成特定的 数据通信和控制功能。二是如果用户通过网页中的嵌入程序来控制服务器端的d s p 实 验装置，必然涉及到用户所使用的操作系统，不同的操作系统所对应的网络通信程序 必然不同，因此，需要一种能够跨平台的语言，它不受操作系统的限制而能完成网络 通信的功能 6 l 【7 】【8 】。 2 1 1 c + + 、j a v a 和n e t 技术比较 ( 1 ) c + + 的现状及发展 9 8 年语言规范的确定标志着c + + 的“诞生”，c + + 是一个年轻的语言，不过从 演进历史和发展程度来看，c + + 已经相当成熟并在各个领域得到了广泛应用。【7 】【9 】 c + + 已经成为当今世界最流行的高级系统程序设计和面向对象的开发语言，其定 位为一种能够如c 语言般支持底层的复杂系统程序设计，而又不失c 的效率，同时 能支持针对大型应用程序开发的数据抽象和面向对象设计的程序设计语言。事实上 也只有c + + 语言才真正实现了同时对高低层次的合理支持。也正由于这些出色的特 性c + + 得到了广泛的使用，从嵌入式系统到超大型应用系统的应用开发。 随着i t 应用规模的膨胀和软件系统结构的发展，传统的面向过程的程序蹬计已 经难以满足系统体系设计的需求。而面向对象的设计思想的出现则为解决这类问题 提供了有力支持，通过使用对象的封装、继承，将系统划分为若干明晰的对象子体， 系统业务功能通过对象子体之间的交互来具体实现，这样一来系统整体逻辑架构相 当清晰，对象子体专注于各自独立实现，代码重叠减少而可重用性大大增加。 8 华中科技大学硕士学位论文 c + + 作为面向对象的程序设计语言也已经得到广泛的应用。目前国内企业级的 c + + 应用可以说刚刚开始起步，同时面临着新一代语言如j a v a 、c 撑的激烈竞争，其 主要发展将集中在对原有基于c 语言技术平台的应用升级以及一些对于实时运算要 求较高的领域( 如金融、电信核心系统，网络游戏服务器等) 10 1 。 ( 2 )j a v a 的现状及发展 未来的计算机体系是基于w e b 的分布式计算，j a v a 无疑是当前满足这一趋势的 最佳语言，由于其本身的开放性体系以及其简洁的语法，国内j a v a 技术应用得以蓬 勃发展起来。国内企业级应用中的关键技术和内容主要集中在：数据访问、数据格 式转换、逻辑控制、数据传输、数据表示等方面【9 【1 叭，而这些都是j a v a 的优势所在， 因而在实际应用实施中，j a v a j 2 e e 俨然已经成为不可替代的企业级应用解决方案 t t 。 j a v a 深刻地体现了“设计”的精髓，严谨清晰的结构使其具有良好的扩展能力 和广阔的发展空间，简洁的语法提供了良好的可维护性，同时，通过降低程序员编 码的难度使其能够将更多的精力专注于业务逻辑的设计与系统框架的构建。j a v a 技 术在国内将拥有非常广阔的前景。一方面，基于j 2 e e 框架的j a v a 应用将成为大型 商业应用的中流砥柱，另一方面在手机、信息家电、i c 卡等嵌入式应用中j 2 m e 也 将扮演重要角色。 另外，j a 、，a 技术中的j s p 技术也有着更强的优势。j s p 是基于j a v as e r v l e t 以 及整个j a v a 体系的w e b 开发技术，利用这一技术可以建立先进、安全、快速和跨平 台的动态网站 1 3 。在传统的网页h t m l 文件中加入j a v a 程序片段和j s p 标已，就构 成了j s p 网页【1 4 】【5 1 。w e b 服务器接收到访问j s p 网页的请求时，首先执行其中的程 序片段，然后将执行结果以h t m l 格式返回给客户。程序片段可以操作数据库、重 新定向网页以及发送e m a i l 等等，这就是建立动态网站所需要的功能。所有程序操 作都在服务器端执行，网络上传送给客户端的仅是得到的结果，对客户浏览器的要 求很低。在用户连接j s p 网站时，用户请求网页，j s p 页面独自响应请求将用户 对网页的请求转化为对数据的请求，通过j a v a b e a n 处理请求并将返回的数据封装成 9 华中科技大学硕士学位论文 h t m l 页面返回给用户。 j s p 的优势： 1 ) 程序写一次，到处可以运行。j s p 在设计时，充分考虑到应用平台的无关 性。依赖于j a v a 的可移植性，j s p 得到目前许多流行操作平台的支持，可在a p a c h e 、 n e t s c a p e 、i i s 等服务器上执行。 2 ) 执行速度快。j s p 页面只需编译一次转化为j a v a 字节代码，其后一直驻留 于服务器内存中，加快了对j s p 页面的响应速度。若不考虑j s p 页面第一次编译所 花的时间，则j s p 的响应速度要比a s p 快得多。 3 1j a v a 的优势。j s p 技术是用j a v a 语言作为脚本语言的。跨平台、成熟、健 壮、易扩充的j a v a 技术使得丌发人员的工作在其它方面也变得容易和简单。在 w i n d o w s 系统被怀疑可能会崩溃时，j a v a 能有效地防止系统崩溃。j a v a 语苦通过提 供防止内存泄漏的方法，在内存管理方面大显身手。加之，j s p 为应用程序提供了 更为健壮的意外事件处理机制，充分发挥了j a v a 的优势。”叫 ( 3 ) n e t 的现状及发展 作为m i c r o s o r 下一代技术平台，n e t 无疑担负了w i n d o w s 平台的未来。由于出 现时间不长，无论是美国还是在我国，n e t 还都处于最初的探索和尝试阶段，基于n e t 的企业级应用可以说刚刚起步。 n e t 本身并不是一个全新的框架，微软综合了诸多技术，推出了这个跨语言、跨 平台的技术规范，它吸取了之前所有技术的精华，相信借助其本身的先进性和微软强 大的市场能力，n e t 将在不远的未来有所作为。在g r i d 式计算的下一代互联网技术 中，相信n e t 会扮演一个前端服务提供者的角色，即运行在高性能小、大型枧上的j a v a 应用提供通用的w e bs e r v i c e 接口，而由n e t 平台提供面向客户接1 2 1 的应用整合。f 9 1 m 1 综上所述，在比较了三种开发方案后，由于j a 、，a 在数据访问、数据格式转换、 逻辑控制、数据传输、数据表示等方面特点和优势，以及j s p 技术的优势，我们采用 了j a v a 作为软件的开发平台。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 2 2j a v a 技术概述 j a v a 是具有以下特征的高级程序语言： 简单 面向对象 可分布 - 可解释 强壮 安全性 结构化 轻便 功能强大 多线程 动态 j a v a 既可以被编译，也可以被解释。通过编译器，可以把j a v a 程序翻译成一种中 间代码称为字节码可以被j a v a 解释器解释的独立于平台的代码。通过解释器， 每条j a v a 字节指令被分析，然后在计算机上运行。只需编译一次，程序运行时解释执 行。可以把j a v a 字节码看作运行在j a v a 虚拟机( j a v a v m ) 上的机器代码指令。每种 j a v a 解释器，不管是j a v a 开发工具还是可以运行j a v a 小应用程序的w e b 浏览器，都 是一种j a v a v m 的实例。j a v a v m 也可以由硬件实现。j a v a 字节码使“写一次，到处运 行”成为可能。可以在任何有j a v a 编译器的平台上把j a v a 程序编译成字节码。这个字 节码可以运行在任何j a v a v m 上。例如，同一个j a v a 程序可以运行在w i n d o w s n t 、 s o t a r i s 和m a c i n t o s h 上。 j a v a 平台 平台是程序运行的硬件或软件环境。j a v a 平台与大多数其它平台不同之处在于它 是运行于其它基于硬件平台的纯软件平台。大多数其它平台是硬件和操作系统的结合。 j a v a 平台由两部分组成： 华中科技大学颁士学位论文 j a v a 虚拟机( j a v av m ) j a v a 应用程序界面( j a v aa p i ) j a v a v m 是j a v a 平台的基础，可以移植到各种基于硬件的平台上。 j a v a a p i 是软件组件的集合它们提供了很多有用的功能，如图形用户界面 ( g u i ) 。j a v aa p 被分组为相关组件的库( 包) 。 作为一种独立于平台的环境，j a v a 比本地代码慢一些。然而，聪明的编译器、很 好地调制过的解释器和即时字节码编译器可以在不牺牲可移植性的条件下使j a v a 的 现接近本地代码。 2 2 1j a v a 语言的特点 j a v a 是种简单的面象对象的分布式的、解释的、健壮的、安全的、结构中立 的、可移植的，性能很优异的多线程的动态的语言。 ) 简单 j a v a 最初是为对家用电器进行集成控制而设计的一种语言，因此它必须简单明 了。j a v a 语言的简单性主要体现在以下三个方面：】。j a v a 的风格类似于c + + ，因而c + + 程序员是非常熟悉的。从菜种意义上讲，j a v a 语言是c 及c + + 语言的一个变种，因此， c i h 程序员可以很快就掌握j a v a 编程技术。2 j a v a 摒弃了c * 中容易引发程序错误的 地方，如指针和内存管理。3 ，j a v a 提供了丰富的类库。 2 】面向对象 面向对象可以说是j a v a 最重要的特性。j a v a 语言的设计完全是面向对象的，它不 支持类似c 语言那样的面向过程的程序设计技术。j a v a 支持静态和动态风格的代码继 承及重用。单从面向对象的特性来看，j a v a 类似于s m a l l t a l k ，但其它特性、尤其是适 用于分布式计算环境的特性远远超越了s m a l l t a l k 。 3 1 分布式 j a v a 包括个支持h t t p 和f t p 等基于t c p i p 协议的子库。因此，j a v a 席用程序可凭借u r l 打开并访问网络上的对象，其访问方式与访问本地文件系统j l 乎完全相同。为分布环境尤其是 i n t e m e t 提供动态内容无疑是一项非常宏伟的任务，但j a v a 的语法特性却使我们很存易地实现这项 1 2 华中科技大学硕士学位论文 目标。 4 1 健壮 j a v a 致力于检查程序在编译和运行时的错误。类型检查帮助检查出许多开发早期 出现的错误。j a v a 自已操纵内存减少了内存出错的可能性。j a v a 还实现了真数组，避 免了覆盖数据的可能。这功能特征大大缩短了开发j a v a 应用程序的周期。j a v a 提供： n u l l 指针检测数组边界检测异常出口字节代码校验 5 ) 结构中立 为了建立j a v a 作为网络的一个整体，j a v a 将它的程序编译成一种结构中立的中问 文件格式。只要有j a v a 运行系统的机器都能执行这种中间代码。现在，j a v a 运行系统 有s o l a r i s 2 4 ( s p a r c ) ，w i n 3 2 系统( w i n d o w s 9 5 和w i n d o w s n t ) 等j a v a 源程序被编译成一 种高层次的与机器无关的b y t e c o d e 格式语言，这种语言被设计在虚拟机上运行，由机 器相关的运行调试器实现执行。 6 1 安全 j a v a 的安全性可从两个方面得到保证。一方面，在j a v a 语言里，象指针和释放 内存等c + + 功能被删除，避免了非法内存操作。另一方面，当j a v a 用来创建浏览器时， 语言功能和一些浏览器本身提供的功能结合起来，使它更安全。j a v a 语言在你的机器 上执行前，要经过很多次的测试。它经过代码校验，检查代码段的格式，检测指针操 作，对象操作是否过分以及试图改变一个对象的类型。 7 ) 可移植的 同体系结构无关的特性使得j a v a 应用程序可以在配备了j a v a 解释器和运行环境 的任何计算机系统上运行，这成为j a v a 应用软件便于移植的良好基础。但仅仅如此还 不够。如果基本数据类型设计依赖于具体实现，也将为程序的移植带来很大不便。例 如在w i n d o w s 3 1 中整数( i n t e g e r ) 为t 6 b i t s ，在w i n d o w s 9 5 中整数为3 2 b i t s ，在d e c a l p h a 中整数为6 4 b i t s ，在i n t e l 4 8 6 中为3 2 b i t s 。通过定义独立于平台的基本数据类型及其运 算，j a v a 数据德以在任何硬件平台上保持一致。j a v a 语言的基本数据类型及其表示方 式如下：b y t e 8 一b i t 二进制补码s h o a l 6 一b i t 二进制补码i n t 3 2 b i t 二进制补码l o n 9 6 4 b i t 二进制补码f l o a t 3 2 b i t l e e e 7 5 4 浮点数d o u b l e 3 2 b i t i e e e 7 5 4 浮点数c h a r l 6 b i t u n i c o d e 华中科技大学硕士学位论文 字符。 在任何j a v a 解释器中，数掘类型都是依据以上标准具体实现的。因为几乎目前使 用的所有c p u 都能支持以上数据类型、8 6 4 位整数格式的补码运算和单双精度浮点 运算。j a v a 编译器本身就是用j a v a 语言编写的。j a v a 运算系统的编制依据p o s i x 方 便移植的限制，用a n s i c 语言写成。j a v a 语言规范中也没有任何”同具体实现相关” 的内容。 8 ) 解释的 j a v a 解释器( 运行系统) 能直接运行目标代码指令。链接程序通常比编译程序所需 资源少，所以程序员可以在创建源程序上花上更多的时间。 9 ) 高性能 如果解释器速度不慢，j a v a 可以在运行时直接将目标代码翻译成机器指令。s u n 用直接解释器一秒钟内可调用3 0 0 ，0 0 0 个过程。翻译目标代码的速度与c c + + 的性能 没什么区别。 1 0 1 多线程 j a v a 提供的多线程功能使得在一个程序里可同时执行多个小任务。线程一一有时 也称小进程一一是一个大进程里分出柬的小的独立的进程。因为j a v a 实现的多线程技 术，所以比c 和c + + 更键壮。多线程带来的更大的好处是更好的交互性能和实时控制 性能。当然实时控制性能还取决于系统本身( l r n i x ，w i n d o w s ，m a c i n t o s h 等) ，在开发 难易程度和性能上都比单线程要好。任何用过当前浏览器的人，都感觉为调一副图片 丽等待是一件很烦恼的事隋。在j a v a 里，你可用一个单线程来调一副图片，而你可以 访问h t m l 里的其它信息而不必等它。 1 1 ) 动态 j a v a 的动态特性是其面向对象设计方法。它允许程序动态地装入运行过程中所需 要的类，这是c + + 语言迸行面向对象程序设计所无法实现的。在c + + 程序设计过程中， 每当在类中增加一个实例变量或一种成员函数后，引用该类的所有子类都必须重新编 译，否则将导致程序崩溃。j a v a 从如下几方面采取措施来解决这个问题。j a v a 编译器 不是将对实例变量和成员函数的引用编译为数值引用，而是将符号引用信息在字节码 1 4 华中科技大学硕士学位论文 中保存下传递给解释器，再由解释器在完成动态连接类后将符号引用信息转换为数 值偏移量。这样，一个在存储器生成的对象不在编译过程中决定，而是延迟到运行时 由解释器确定的。这样，对类中的变量和方法进行更新时就不至于影响现存的代码。 解释执行字节码时，这种符号信息的查找和转换过程仅在一个新的名字出现时才进行 一次，随后代码便可以全速执行。在运行时确定引用的好处是可以使用己被更新的类， 而不必担心会影响原有的代码。如果程序连接了网络中另一系统中的某一类，该类的 所有者也可以自由地对该类进行更新，而不会使任何引用该类的程序崩溃。j a v a 还简 化了使用一个升级的或全新的协议的方法。如果你的系统运行j a