基于Sti5516芯片的Java虛擬機(jī)的軟件架構(gòu)研究

1 引言

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，電視數(shù)字化步伐加快了。從一開(kāi)始的模擬電視到現(xiàn)在的數(shù)字電視，不僅大大提高了電視節(jié)目的質(zhì)量，也推動(dòng)了電視數(shù)字化的進(jìn)一步發(fā)展。在各種數(shù)字視頻廣播標(biāo)準(zhǔn)中，歐洲的DVB（Digital Video Broadcast）標(biāo)準(zhǔn)使用比較廣泛，它為在同一信道中傳輸視頻、音頻、數(shù)據(jù)提供了一種靈活、高效的方式，可以通過(guò)衛(wèi)星、電纜和地面信道傳輸高質(zhì)量的電視節(jié)目。同時(shí)基于DVB的數(shù)據(jù)廣播標(biāo)準(zhǔn)也能滿足人們對(duì)于寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的要求，如證券信息服務(wù)、電子節(jié)目、MP3音樂(lè)下載、電子郵件、網(wǎng)頁(yè)瀏覽等，在現(xiàn)代信息技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛。

圖一數(shù)字機(jī)頂盒架構(gòu)

從圖一我們可以看到， 一個(gè)完整的數(shù)字機(jī)頂盒由硬件平臺(tái)和軟件系統(tǒng)組成，可以將其分為4層，從底向上分別為硬件、底層軟件、中間件、應(yīng)用軟件。硬件提供機(jī)頂盒的硬件平臺(tái)；底層軟件提供操作系統(tǒng)內(nèi)核以及各種硬件驅(qū)動(dòng)程序；應(yīng)用軟件包括本機(jī)存儲(chǔ)的應(yīng)用和可下載的應(yīng)用；中間件是一種將應(yīng)用程序與底層的操作系統(tǒng)、硬件細(xì)節(jié)隔離開(kāi)來(lái)，使應(yīng)用不依賴(lài)于具體的硬件平臺(tái)的軟件環(huán)境。這樣用戶可以在任何廠家的硬件平臺(tái)上進(jìn)行應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)，和應(yīng)用軟件下載。而不必介意任何底層的有關(guān)信息，保證了機(jī)頂盒的開(kāi)發(fā)專(zhuān)業(yè)化。這種分層的思想在現(xiàn)代系統(tǒng)設(shè)計(jì)中十分常見(jiàn)，如大名鼎鼎的TCP/IP協(xié)議。中間件通常由各種虛擬機(jī)來(lái)構(gòu)成，如HTML虛擬機(jī)、JavaScript虛擬機(jī)、Java虛擬機(jī)等。

現(xiàn)在廣電行業(yè)傾向于DVB-MHP（多媒體家庭平臺(tái)）中間件標(biāo)準(zhǔn)。DVB-MHP基于開(kāi)放性的Java程序語(yǔ)言，具有軟硬件兼容性好、可移植成本低、二次再開(kāi)發(fā)功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是一種很有發(fā)展前途的中間件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)?？梢韵嘈?，Java在數(shù)字視頻廣播中的應(yīng)用將越來(lái)越多，我們有必要研究Java技術(shù)核心—虛擬機(jī)，包括其結(jié)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)制及虛擬機(jī)移植到數(shù)字機(jī)頂盒平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)。本文面向采用ST（意法半導(dǎo)體公司）Sti5516芯片的數(shù)字機(jī)頂盒平臺(tái)，將基于數(shù)字電視播放（Digital Video Broadcast，DVB）的多媒體家庭平臺(tái)（Multimedia Home Platform，MHP）規(guī)范進(jìn)行中間件平臺(tái)分析，重點(diǎn)研究開(kāi)放源碼的Java虛擬機(jī)---Kaffe在其中的作用和相關(guān)的移植技術(shù)。

2 平臺(tái)介紹

2.1 硬件平臺(tái)

數(shù)字機(jī)頂盒硬件平臺(tái)基于ST公司的芯片Sti5516，Sti5516芯片集成了CPU內(nèi)核ST20-C2、音/視頻MPEG-2解碼器、PAL/NTSC/SECAM編碼器等。開(kāi)發(fā)板上有8MB的共享內(nèi)存和16MB的外部?jī)?nèi)存，4MB的Flash，并采用實(shí)時(shí)處理的嵌入式操作系統(tǒng)OS20。

2.2 軟件平臺(tái)

一個(gè)典型的適用于嵌入式的Java運(yùn)行環(huán)境包括以下組件：

1．一個(gè)Java虛擬機(jī)。用來(lái)將獨(dú)立于平臺(tái)的Java字節(jié)碼解釋成目標(biāo)機(jī)本地機(jī)器碼，并執(zhí)行動(dòng)態(tài)類(lèi)加載。這可以采取解釋執(zhí)行或?qū)崟r(shí)編譯執(zhí)行（JIT）的形式。兩者的不同點(diǎn)就在于字節(jié)碼的執(zhí)行速度；因?yàn)镴IT避免了重復(fù)解釋以前執(zhí)行過(guò)的程序塊。

2．一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)Java類(lèi)庫(kù)集，以字節(jié)碼的形式存在。如果應(yīng)用程序并不引用任何類(lèi)庫(kù)，那這些類(lèi)庫(kù)就并不一定要求存在。

3．任何類(lèi)庫(kù)或虛擬機(jī)所需的本地方法（JNI）。這些函數(shù)是由其它高級(jí)語(yǔ)言所寫(xiě)，并和Java虛擬機(jī)一起預(yù)編譯，鏈接。這些函數(shù)被用來(lái)執(zhí)行處理器相關(guān)或Java無(wú)法直接實(shí)現(xiàn)的功能。

4．一個(gè)多任務(wù)操作系統(tǒng)，用來(lái)提供Java線程及線程同步機(jī)制的底層實(shí)現(xiàn)。

5．一個(gè)垃圾回收線程。垃圾回收周期運(yùn)行或當(dāng)動(dòng)態(tài)內(nèi)存池不能滿足分配請(qǐng)求時(shí)運(yùn)行，用來(lái)申明那些已經(jīng)被分配但不再被應(yīng)用程序所使用的內(nèi)存。

Kaffe是一個(gè)完整的Java實(shí)現(xiàn)，它由3部分組成：遵從 Personal Java1.1規(guī)范的 Java類(lèi)庫(kù)，Java1.1虛擬機(jī)和本地動(dòng)態(tài)或靜態(tài)鏈接庫(kù)。Kaffe虛擬機(jī)源碼按以下子目錄組織：

kaffe---包括了解釋器與JIT平臺(tái)無(wú)關(guān)部分，以及垃圾回收，動(dòng)態(tài)類(lèi)加載和Java runtime environment其它模塊的源代碼。

config---包括了解釋器與JIT平臺(tái)相關(guān)部分。它按所支持的處理器來(lái)劃分子目錄，里面存放系統(tǒng)相關(guān)代碼。

package---Java類(lèi)庫(kù)以及任何它所依賴(lài)的本地方法。

include---在子目錄中提供的本地方法的接口定義。這些接口被平臺(tái)獨(dú)立文件所需要。

3 Kaffe移植的關(guān)鍵技術(shù)及方案

經(jīng)過(guò)對(duì)Kaffe深入分析和研究，筆者已在Sti5516平臺(tái)上成功地移植了Kaffe，并依據(jù)DVB-MHP規(guī)范，結(jié)合機(jī)頂盒特定軟硬件環(huán)境要求，建立了能運(yùn)行Kaffe虛擬機(jī)的Java應(yīng)用程序運(yùn)行平臺(tái)。下面將移植工作及相應(yīng)步驟總結(jié)如下：

3.1 字節(jié)碼解釋器

由于Kaffe源碼中沒(méi)有映射Java字節(jié)碼到處理器相關(guān)的匯編代碼塊，而是使用C實(shí)現(xiàn)了每個(gè)字節(jié)碼。這樣就導(dǎo)致字節(jié)碼解釋器的源代碼沒(méi)有一行是處理器相關(guān)的。這意味著移植最簡(jiǎn)虛擬機(jī)（無(wú)JIT）將非常簡(jiǎn)單：只需要使用交叉編譯器來(lái)編譯kaffe/kaffevm子目錄下的文件即可。

3.2 內(nèi)部線程

Kaffe有它自己的內(nèi)部線程包。換句話說(shuō)，它維護(hù)自己的線程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候執(zhí)行線程調(diào)度及上下文切換。為了使內(nèi)部線程包能運(yùn)行在ST20處理器架構(gòu)上， 需要在config/os20子目錄中創(chuàng)建一個(gè)threads.h文件。這個(gè)文件定義了兩個(gè)常量和四個(gè)宏。這些常量和宏被內(nèi)部線程包里處理器無(wú)關(guān)的部分代碼所使用。

USE_INTERNAL_THREADS定義為ENABLE。

THREADSTACKSIZE是一個(gè)常量，定義為每個(gè)線程堆棧的大小，單位bytes。

THREADINIT（ctx * pContex， void （*func）（））執(zhí)行新線程的上下文初始化。該線程的入口點(diǎn)被func指針?biāo)峁?/p>

THREADSWITCH（ctx * pNewContext， ctx * pOldContext）執(zhí)行實(shí)際的上下文切換。

THREADINFO（ctx * pContext）在Kaffe初始化期間重置整個(gè)任務(wù)控制塊。

THREADFRAMES（thread * taskId， int count）返回活動(dòng)的堆棧楨個(gè)數(shù)。

3.3 支持軟件

和其它大多數(shù)用C寫(xiě)的程序一樣，Kaffe依賴(lài)于標(biāo)準(zhǔn)C庫(kù)里的例程。由于ST采用符合GNU規(guī)范的GCC編譯器，如strcmp（），atoi（），sin（）等標(biāo)準(zhǔn)C庫(kù)函數(shù)被支持。除此之外OS20提供以下支持：

動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配malloc（）。盡管Java程序員不會(huì)直接調(diào)用malloc（），但Kaffe虛擬機(jī)需要從底層調(diào)用內(nèi)存分配例程來(lái)請(qǐng)求大的內(nèi)存池。

信號(hào)。Kaffe依賴(lài)于與POSIX兼容的信號(hào)實(shí)現(xiàn)機(jī)制來(lái)執(zhí)行相應(yīng)的軟件中斷。而這可以用來(lái)喚醒休眠線程和異常句柄。

非阻塞I/O接口。和select（）相似。

3.4 動(dòng)態(tài)類(lèi)加載器

為了在OS20操作系統(tǒng)中使用，須修改源代碼中平臺(tái)無(wú)關(guān)的部分---動(dòng)態(tài)類(lèi)加載器。它是Java運(yùn)行時(shí)環(huán)境的一部分，被用來(lái)負(fù)責(zé)加載被調(diào)用的方法（methods）。在桌面環(huán)境中，與方法相關(guān)的字節(jié)碼被放在類(lèi)文件中，動(dòng)態(tài)類(lèi)加載器使用給定的方法名在類(lèi)路徑下的子目錄和文件里搜索。但由于OS20操作系統(tǒng)沒(méi)有文件系統(tǒng)，所以類(lèi)加載器必須被修改成在內(nèi)存（RAM或ROM）中搜索類(lèi)文件。為此我們完全重寫(xiě)動(dòng)態(tài)類(lèi)加載器。

我們采用了靜態(tài)查找表裝載機(jī)制，建立了一個(gè)查找表。這個(gè)查找表的結(jié)構(gòu)定義如下：

typedef struct

{

int index;

int size;

char name;

}classIndexTable;

這個(gè)查找表用來(lái)映射類(lèi)名或方法名到它們?cè)趦?nèi)存中的起始地址。這樣就可以用查找表來(lái)替代類(lèi)加載器。即將類(lèi)型和路徑組合為一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)， 比如“java string”，組合起來(lái)就是“java_string”，然后再利用這個(gè)組合的結(jié)果檢索查找表。

利用組合的結(jié)果與查找表中每一項(xiàng)的name字段進(jìn)行字符串比較，直到完全匹配為止。如果沒(méi)有任何匹配則說(shuō)明系統(tǒng)不支持這個(gè)類(lèi)型。匹配上name 后，類(lèi)裝載器將獲得index和size的值。index是一張存放所有.class文件起始地址表的索引，根據(jù)這個(gè)索引就可以找到具體的.class文件的二進(jìn)制映像的起始地址，而size則是該.class文件的大小。這樣根據(jù).class文件存儲(chǔ)位置的地址和大小就可以成功地完成類(lèi)的裝載。

3.5 虛擬機(jī)啟動(dòng)

由于OS20操作系統(tǒng)是被GCC編譯到主程序中，我們需要將kaffe虛擬機(jī)的初始化函數(shù)做為主應(yīng)用程序中的某個(gè)任務(wù)來(lái)運(yùn)行。kaffe虛擬機(jī)的初始化與啟動(dòng)是通過(guò)在主程序中運(yùn)行initializeKaffe（）函數(shù)來(lái)完成的。

4 測(cè)試與結(jié)果

在主程序中，調(diào)用OS20操作系統(tǒng)中的系統(tǒng)調(diào)用task_create（）來(lái)將Kaffe虛擬機(jī)初始化為系統(tǒng)的一個(gè)進(jìn)程。并為它分配必要資源，包括進(jìn)程優(yōu)先級(jí)、系統(tǒng)需要的內(nèi)存空間等。依照分配的優(yōu)先級(jí)，參與系統(tǒng)的進(jìn)程調(diào)度。最后，將整個(gè)修改好的源代碼在新的編譯環(huán)境下編譯連接成可執(zhí)行代碼，通過(guò)JTAG口下載到機(jī)頂盒開(kāi)發(fā)板中運(yùn)行。

Kaffe虛擬機(jī)的“輸入”是“hello.java”，經(jīng)過(guò)編譯后生成類(lèi)文件“hello.class”。運(yùn)行下載到Flash的主程序，在調(diào)試終端可以看到“hello world”字樣，這是Kaffe虛擬機(jī)解釋字節(jié)碼的結(jié)果。說(shuō)明基于Sti5516芯片的Kaffe虛擬機(jī)移植成功。

5 結(jié)束語(yǔ)

以上介紹了Java虛擬機(jī)Kaffe的軟件架構(gòu)，從中我們可以看出，Kaffe虛擬機(jī)具有較好的可擴(kuò)展結(jié)構(gòu)模型，是遵循Java規(guī)范的優(yōu)良的開(kāi)放源碼虛擬機(jī)，可以適應(yīng)多種嵌入式應(yīng)用環(huán)境。本文按照歐洲D(zhuǎn)VB-MHP規(guī)范，給出了Kaffe虛擬機(jī)在Sti5516機(jī)頂盒環(huán)境下的移植方案，使其可以應(yīng)用于要求較高的嵌入式系統(tǒng)中，為機(jī)頂盒在證券信息服務(wù)、電子節(jié)目、MP3音樂(lè)下載、電子郵件、網(wǎng)頁(yè)瀏覽等新型服務(wù)領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。我們相信，隨著基于Java技術(shù)的DVB-MHP中間件技術(shù)的廣泛使用，將使嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)更加簡(jiǎn)捷方便。

責(zé)任編輯：gt