基于ST20嵌入式系统的Java虚拟机研究与移植

1、基于st20嵌入式系统的java虚拟机研究与移植 随着现代信息技术的迅猛进展，电视数字化步子加快了。从一开头的模拟电视到现在的，不仅大大提高了电视节目的质量，也推进了电视数字化的进一步进展。在各种数字视频广播标准中，欧洲的dvb(digital video broadcast)标准用法比较广泛，它为在同一信道中传输视频、音频、数据提供了一种灵便、高效的方式，可以通过卫星、电缆和地面信道传输高质量的电视节目。同时基于dvb的数据广播标准也能满足人们对于宽带数据业务的要求，如证券信息服务、节目、mp3音乐下载、电子邮件、网页扫瞄等，在现代信息技术领域应用极为广泛。图一 数字架构从图一我们可以看到,

2、 一个完整的数字机顶盒由硬件平台和软件系统组成，可以将其分为4层，从底向上分离为硬件、底层软件、中间件、应用软件。硬件提供机顶盒的硬件平台；底层软件提供操作系统内核以及各种硬件驱动程序；应用软件包括本机存储的应用和可下载的应用；中间件是一种将应用程序与底层的操作系统、硬件详情隔离开来，使应用不依靠于详细的硬件平台的软件环境。这样用户可以在任何厂家的硬件平台上举行应用软件开发，和应用软件下载。而不必介意任何底层的有关信息，保证了机顶盒的开发专业化。这种分层的思想在现代系统设计中非常常见，如大名鼎鼎的tcp/ip协议。中间件通常由各种虚拟机来构成，如html虚拟机、javascript虚拟机、ja

3、va虚拟机等。现在广电行业倾向于dvb-mhp(多媒体家庭平台)中间件标准。dvb-mhp基于开放性的java程序语言，具有软硬件兼容性好、可移植成本低、二次再开发功能强等优点，是一种很有进展前途的中间件技术标准。可以信任，java在数字视频广播中的应用将越来越多，我们有须要讨论java技术核心虚拟机，包括其结构、运行机制及虚拟机移植到数字机顶盒平台的关键技术。本文面对采纳st（公司）sti5516芯片的数字机顶盒平台，将基于数字电视播放(digital video broadcast，dvb)的多媒体家庭平台(multimedia home platform，mhp)规范举行中间件平台分析，

4、重点讨论开放源码的java虚拟机-kaffe在其中的作用和相关的移植技术。2 平台介绍2.1 硬件平台数字机顶盒硬件平台基于st公司的芯片sti5516，sti5516芯片集成了cpu内核st20-c2、音/视频mpeg-2、pal/ntsc/secam等。开发板上有8mb的分享内存和16mb的外部内存，4mb的flash，并采纳实时处理的操作系统os20。2.2 软件平台一个典型的适用于嵌入式的java运行环境包括以下组件：1一个java虚拟机。用来将自立于平台的java字节码说明成目标机本地机器码，并执行动态类加载。这可以实行说明执行或实时编译执行（jit）的形式。两者的不同点就在于字节码

5、的执行速度；由于jit避开了重复说明以前执行过的程序块。2一个标准java类库集，以字节码的形式存在。假如应用程序并不引用任何类库，那这些类库就并不一定要求存在。3任何类库或虚拟机所需的本地办法(jni)。这些函数是由其它高级语言所写，并和java虚拟机一起预编译，链接。这些函数被用来执行处理器相关或java无法挺直实现的功能。4一个多任务操作系统，用来提供java线程及线程同步机制的底层实现。5一个垃圾回收线程。垃圾回收周期运行或当动态内存池不能满足分配哀求时运行，用来申明那些已经被分配但不再被应用程序所用法的内存。kaffe是一个完整的java实现，它由3部分组成：遵从 personal

6、java1.1规范的 java类库，java1.1虚拟机和本地动态或静态链接库。kaffe虚拟机源码按以下子名目组织：kaffe-包括了说明器与jit平台无关部分，以及垃圾回收，动态类加载和java runtime environment其它模块的源代码。config-包括了说明器与jit平台相关部分。它按所支持的处理器来划分子名目，里面存放系统相关代码。package-java类库以及任何它所依靠的本地办法。include-在子名目中提供的本地办法的接口定义。这些接口被平台自立文件所需要。3 kaffe移植的关键技术及计划经过对kaffe深化分析和讨论，笔者已在sti5516平台上胜利地移植

7、了kaffe，并依据dvb-mhp规范，结合机顶盒特定软硬件环境要求，建立了能运行kaffe虚拟机的java应用程序运行平台。下面将移植工作及相应步骤总结如下：3.1 字节码说明器因为kaffe源码中没有映射java字节码处处理器相关的汇编代码块，而是用法c实现了每个字节码。这样就导致字节码说明器的源代码没有一行是处理器相关的。这意味着移植最简虚拟机（无jit）将十分容易：只需要用法交错编译器来编译kaffe/kaffevm子名目下的文件即可。3.2 内部线程kaffe有它自己的内部线程包。换句话说，它维护自己的线程数据结构，并在适当的时候执行线程调度及上下文切换。为了使内部线程包能运行在st

8、20处理器架构上, 需要在config/os20子名目中创建一个threads.h文件。这个文件定义了两个常量和四个宏。这些常量和宏被内部线程包里处理器无关的部分代码所用法。use_internal_threads定义为enable。threadstacksize是一个常量，定义为每个线程堆栈的大小，单位bytes。threnit(ctx * pcontex, void (*func)()执行新线程的上下文初始化。该线程的入口点被func指针所提供。threadswitch(ctx * pnewcontext, ctx * poldcontext)执行实际的上下文切换。threadinfo(c

9、tx * pcontext)在kaffe初始化期间重置囫囵任务控制块。threadframes(thread * taskid, int count)返回活动的堆栈桢个数。3.3 支持软件和其它大多数用c写的程序一样，kaffe依靠于标准c库里的例程。因为st采纳符合gnu规范的gcc编译器，如strcmp()，atoi()，sin()等标准c库函数被支持。除此之外os20提供以下支持：动态内存分配malloc()。尽管java程序员不会挺直调用malloc()，但kaffe虚拟机需要从底层调用内存分配例程来哀求大的内存池。信号。kaffe依靠于与posix兼容的信号实现机制来执行相应的软件中

10、断。而这可以用来唤醒休眠线程和异样句柄。非堵塞i/o接口。和select()相像。3.4 动态类加载器为了在os20操作系统中用法，须修改源代码中平台无关的部分-动态类加载器。它是java运行时环境的一部分，被用来负责加载被调用的办法(methods)。在桌面环境中，与办法相关的字节码被放在类文件中，动态类加载器用法给定的办法名在类路径下的子名目和文件里搜寻。但因为os20操作系统没有文件系统，所以类加载器必需被修改成在内存（ram或rom）中搜寻类文件。为此我们彻低重写动态类加载器。我们采纳了静态查找表装载机制，建立了一个查找表。这个查找表的结构定义如下：typedef structint

11、index;int size;char name;classindextable;这个查找表用来映射类名或办法名到它们在内存中的起始地址。这样就可以用查找表来替代类加载器。即将类型和路径组合为一个唯一的标识, 比如“java string”，组合起来就是“java_string”,然后再利用这个组合的结果检索查找表。利用组合的结果与查找表中每一项的name字段举行字符串比较，直到彻低匹配为止。假如没有任何匹配则解释系统不支持这个类型。匹配上name 后，类装载器将获得index和size的值。index是一张存放全部.class文件起始地址表的索引，按照这个索引就可以找到详细的.class文件

12、的二进制映像的起始地址，而size则是该.class文件的大小。这样按照.class文件存储位置的地址和大小就可以胜利地完成类的装载。3.5 虚拟机启动因为os20操作系统是被gcc编译到主程序中，我们需要将kaffe虚拟机的初始化函数做为主应用程序中的某个任务来运行。kaffe虚拟机的初始化与启动是通过在主程序中运行initializekaffe()函数来完成的。4 测试与结果在主程序中，调用os20操作系统中的系统调用task_create()来将kaffe虚拟机初始化为系统的一个进程。并为它分配须要资源，包括进程优先级、系统需要的内存空间等。依照分配的优先级,参加系统的进程调度。最后，将囫囵修改好的源代码在新的编译环境下编译衔接成可执行代码,通过jtag口下载到机顶盒开发板中运行。kaffe虚拟机的“输入”是“hello.java”，经过编译后生成类文件“hello.class”。运行下载到flash的主程序，在调试终端可以看到“hello world”字样,这是kaffe虚拟机说明字节码的结果。解释基于sti5516芯片的kaffe虚拟机移植胜利。5 结束语以上介绍了java虚拟机kaffe的软件架构，从中我们可以看出，kaffe虚拟机具有较好的可扩展结构模型，是遵循java规范的优良的开放源