Java用于嵌入式系统之分析与解决方案

摘要：本文详细分析了Java语言用于嵌入式系统的优点和缺点，并针对其不足提出了可行的解决方案。

关键词：嵌入式系统Java

一、引言

Java语言最初的设计企图是想用于控制消费性电子产品，Java的设计者企图建立一个简单的、面向对象的、智慧的、已经解译的、强大的、安全的、架构合理的、可移植的、高性能的、多线程的、动态的语言。为使Java对开发者有吸引力，Sun公司融合了类似于C语言的语法和结构。然而Sun最终没有达到这个目标，Java还是被证明不适合小型的电子设备，这很大程度是因为它大而且速度慢。应用Java程序所需要的处理能力和内存量，对这类设备来说太昂贵了。

然而，Sun公司设计Java时最重要的是平台无关及网络集成。一个无须更改能够在几种不同硬件和软件平台运行的程序，对网络环境来说是一个理想的程序。对想建立通过网络来通讯并利用网上资源的分布式程序的开发者来说，一种在任何平台上都有内置的和标准的网络支持的语言是一个大实惠。并且在Java发展的后来阶段，对新兴的商业化Internet的兴趣达到了狂热的程度。因此Sun公司便借机大力宣扬Java是为Internet设计的。越来越多的人已经把Java视为将使Internet功能更上一层楼的工具。

1、Java语言与嵌入式

对于选用嵌入式编程语言，一般说，越是高级的语言，其编译和运行库施加的开销越大，你的应用程序也越大，越慢。已经公认用汇编语言能写出最小最快的程序，其次是用C或Forth，接下来较大的是C++或Basic，然后才是Java。因此一般来说，编程人员都会首选汇编和C，而然后才会考虑C++或Java。

但是嵌入式开发者为何要来关注Java呢？笔者以为，随着不断增长的市场需求，很多嵌入设备必须适应网上交流的需要，为了迎合此要求，考虑这种到开发Internet应用程序的便利，众多开发者都发现使用这种语言是有意义的。另一个原因是随着内存条及32位处理器价格的下降，最初在嵌入系统使用Java太昂贵的问题不再有了。随着使用Java的成本代价减少，它的很多优点应当被考虑作为嵌入平台。

2、Java对于嵌入式的优点分析

Java语言的优点在于：它当初就是由理解和信奉网络计算梦想的一个小巧而专注的开发组设计的，虽然该语言最初的实施方案有点缺陷，有许多后来已被解决了，但为了这个梦想，他们很少在技术上妥协，结果诞生了一种专为以相互通讯为主要目的的设备而设计的语言。

有许多技术上的优点都可能会引导嵌入系统开发者选择Java，以下就是这些优点（其中有几个也适用于通用编程）

A）与处理器无关

Java的第一个优点就是与处理器无关，这个优点似乎与嵌入式系统没什么相干。传统上，嵌入程序就是针对特定的微处理器设计并在其上运行的，而C语言程序的可移植性则可通过编译或交叉编译来保障。

但是在Sun公司的模型中，一个程序可能是存储在一个系统上，而被下载并运行在另一个完全不同的系统上；设备可能从不同地方下载一些程序来在一个处理器上运行，或者不同的处理器运行一个程序，通过网络在相互间传递数据。使用Java，一个嵌入式系统就可能成为一个通用的通信设备，能下载并运行能完成特定任务的程序。

对嵌入式系统，这是一个新的模型，已经有一些开发者正在向它靠拢。例如，电视机机顶盒的供应商已宣布并入JVM，以使用户能通过Javaapplets在他们观看电视的同时接收到的支持该电视节目的一些内容。这样你在观看足球比赛时，看到的支持内容就可以是对球员的技术统计；若你在看电影，看到的支持内容就可以是演员的背景资料。JVM还被并入到移动电话中，这样用户可接收股票报价信息、比赛分数及其他即时信息。

笔者以为，这是一个恰当的设计和实施模型。其一是你在选择开发平台时更加灵活了。你无需在与目标相同的平台上开发，也不用去关心交叉编译，因为Java字节码能在任何有JVM的操作系统中运行；另一个优点是：几乎所有的检测和调试可以独立于目标设备来进行。但是，一些数据输入和硬件交互要求在目标（或是很好的仿真系统）上测试。由于个别JVM有时有兼容性的问题，你应该在所有将用到该程序的平台上测试它。但一般来说，你并不要高级而昂贵的、配备有逻辑探针、ICE以及其它调试工具的、针对目标平台的开发环境。

B）面向对象的编程

Java是一种纯粹面向对象的语言。所有代码和数据都是某个类的一部分，没有全局变量或是独立于类存在的代码，一个对象是一个类的实例，对象是通过调用操作方法，或者说函数来操作的，而这些方法或函数也是类的一部分，对象的方法就对象的数据进行操作。Java类被组织成一个等级层次，在层次结构中，一个子类能够继承其超类的行为，并可用子类所具备的一些特有功能来扩展其超类的功能。对象模型是你能定义对应真实事物的数据结构，使得程序的任务和任务如何实现者二者之间的转换变得基本上透明。

面向对象的设计和编程的优点在于其开发速度和代码的可维护性，许多面向对象的开发都能通过利用和更改现存类库来完成，而不是创造一个新的结构，这就使开发加快了，例如，一个硬件开关能在软件中使用一个开关对象来实现，该对象包含用于控制和操作开关的所有必需的数据和代码。面向对象的方法还尽量使用自然的结构，使其有很高的可读性，且可轻易更改和加强。

C）安全和安全操作

由于有了JVM，一个Java应用程序与操作系统或硬件完全隔绝，因此计算机病毒或其它作祟的的代码就很难获得对设备的控制。虚拟机是主机设备和那些可能难以确定其质量和可靠性的软件之间的一个保护层。

另外，Java设计者从该语言中去掉了指针变量的概念。Java不能任意访问其内存位置，它们只能读写有Java内存分配管理系统创建的对象。由于Java编译器所强制的严格的分类机制，从理论上来说，访问那些未分配给程序的内存区域是不可能的。这个限制使得要写恶意代码的程序变得非常困难了。

对Javaapplet施加的限制就更加严格了。由于Javaapplet被设计成从Internet上下载，因而被视为不可信任的代码，除非它包括你已认定为可信任的主机的数字指纹。JVM在内存的一个称之为sandbox的区域运行诸如applet这种不可信任的代码。它给每个applet分配资源和特权，并将其限定在这些分配区域范围中。

D）内存管理

Java的内存管理远比其他语言简单，因为它不使用指针。当对象被实例化时，内存被动态分配。正如我们前面分析的，对个别内存地址的访问被Java的设计者视为一个对安全的潜在危险，因此，访问也被禁止。而且，Sun的网络模型已假定你也许不知道目标处理器，而引用专用内存地址变得没有必要。去掉指针的结果不仅提高了安全性，还简化了编程，错误也减少了。

在C语言中，可以用值或引用的方式来访问数据。事实上，出于灵活性和控制考虑，非原始数据类型都由引用方式来存取，即通过指针访问。因此，值和引用的不同变得非常清楚，特别是：因为你不得不使用不同的符号（＊和&）来存取数据。要用这两种不同的访问方式，你必须清楚理解它们是什么以及你为什么应该使用这一个，而不使用那一个。

在Java中，由值和引用来存储是无缝的，尤其因为其符号都一样。两者间唯一不同在于数据类型本身：所有原始数据类型始终由值的方式存取；所有对象，包括字串、数组以及文件流，始终由引用方式访问。声明为原始数据变量类型包含该变量的值，声明为对象的变量则包含对该对象（即该对象的地址）的一个引用，而非对象自身的引用。仅仅声明一个对象变量并不给对象分配内存，你必须用“new”关键字来分配内存和创建对象。

这两种方法最根本的不同在于：不可能象在C中那样就Java内存地址做指针算术或其他操作。Java中对象的地址是相对的（或虚拟的），它由虚拟机任意分配，因此你没有理由还想要指针地址。

E）垃圾收集

垃圾收集自动收集内存中未引用的内存，并将其归回空闲内存链表中。JVM使用此功能将不在使用的内存还给系统。

当Java程序说明并实例化一个对象或数组时，它仅仅做一个JVM请求，访问其下面的系统内存（通常是通过主机操作系统）并分配内存，Java的垃圾收集系统通过内存收集对象，然后检查它们的引用链。Java的垃圾收集系统的工作方式一般是搜索内存中的对象，然后检查它们的引用表。它计算程序中有多少变量当前正在引用每个对象。若对象的引用数目为零，它知道此对象不再在使用了，它的内存可以收回。其结果就是，不必像你在C语言所作的那样，要人工来释放分配的内存。在C中，释放内存是一个必要、耗时且易出错的细节。Java自动而精确的处理此过程，去除了C/C++程序中那种常见的错误致因。

F）网络

由于今天的嵌入式系统通常都是网络的，采用内置网络支持的语言节约了在实现网络协议和通信程序方面耗费的大量时间和努力。在Java中，网络类包括TCP/IP流和使用TCP及UDP的数据报程序，用于HTTP和URL服务的操作方法，以及错误检查代码和恢复功能。

虽然实现网络也可能用其他语言，比如C语言，但那些语言要求特别的附件软件包，DLL，或其他必须由操作系统，或者第三方销售提供程序模块，特别附件通常要求有操作系统或第三方工具的知识，不象Java，有标准的、内置的网络支持。

Java包括网络包出于必要，因为设计者不能对一个作为基础的操作系统的网络设施做任何假定，他们必须得包括集成网络程序库，以确保Java程序能在所有平台上工作。

G）动态配置

动态配置是指一系统启动时的用户制定配置或重新配置。需载入特殊的硬件配置、网络参数或在引导期间支持特定用途的一些实用程序的系统，常常使用动态配置。

Java以动态捆绑来支持动态配置。当你组成一个程序的各个类文件编译成字节码时，在你的类文件之间，或者对JVM包的类（如图形、网络以及核心语言支持）引用，还没有被解决。当JVM载入你的程序时，它动态的载入并捆绑（即链接）你的程序引用的所有的类。因此，要改变系统配置，你所需要做的一切就是修正相应的类文件。下一次系统时，JVM自动捆绑新文件到你的程序中，而新的配置将生效执行。

H）异常处理

与许多操作系统和程序不同，对嵌入系统而言，重新启动通常是无法接受的，就像我们都不希望打电话或者看电视时突然有技术性的中断一样。这意味着实际上所有嵌入式系统都必须足够坚实以截取错误来防止它们使程序或更糟的是使整个设备崩溃。

程序错误的致因很多。相对来说，很少是因为继承逻辑错误，而大多数程序的崩溃是因为意外输入，或者是因为程序不能调用系统资源来完成某个特定操作。

在Java中，由抛出（产生）一个异常来提示错误。使用专门为异常处理而设计的语句（关键字try、catch、和finally），程序就能将其错误处理代码安排到几个集中区域，try程序块是程序执行的正常流程。当一个异常发生在try块（包括该嵌套块中的各层子程序）中，控制就交给了catch块。不管是否有异常发生，finally块中的代码始终要被执行。未被处理的异常会由调用堆栈自下而上传播JVM并终止程序。你不再需要动手编程，来将错误状态通过几层函数调用返回。而是，在错误发生由检测错误的代码直接抛出一个异常。这极大地简化了应用程序中的错误处理代码，进而获得更好地错误处理效果和更坚实可靠的代码。

I）线程

大多数操作系统都给一个过程产生和管理多个线程的能力，这些线程彼此独立地完成不同地任务。但是，很少由程序语言提供对线程管理的直线支持，通常都需要直接调用操作系统功能。Java却相反，直接在语言提供了产生、管理和协调同步线程地功能。与Java的其他特点一样，该功能是必要的，因为设计者不敢确定底层的操作系统是否支持多线程。

开发者越来越多的在程序中使用线程，将其作为满足一个程序不能完成的，通常相互无关的一些任务的一种手段。由于Java对线程有内置语言支持，以Java创建多线程较之与其它语言更简单、更自然。

J）图形

JVM包括一个庞大的图形及窗口支持程序包，称为AbstractWindowingToolkit（AWT）。用AWT，你能在应用程序中快速而轻易地创建精致而强大的图形用户界面。对于需要精细的用户界面的嵌入系统来说，AWT能节省大量开发时间，从而是产品更快的走向市场。

3、Java用于嵌入式系统的局限及解决方案

A）性能

如前所述、解释Java字节码比相当的C或C++写的程序运行起来要慢5到10倍。对一些并非受制于CPU的嵌入系统来说，这一个性能缺点不是问题，但是更经常的较慢的速度会导致无法接受的应答时间。有几种可能的解决方案可缓解速度慢的问题。

1）使用更快、更强大的处理器，使系统响应时间缩小到可以接受的范围。这个方法将增加每个系统的成本。

2）使用母语Java编译器来获得比较好的性能。但这样做，你就放弃了与Java平台无关的优点，好在大多数嵌入系统都只在一种平台上运行。

3）在你的系统上并入一个JIT编译器，这样Java类装入时就被编译。若你为接纳JIT编译器而不得不增加额外的内存，这个方法也会增加系统成本。另外，若你的系统各部分是按需求逐渐添加，你应控制程序装入的时机，以使在装入类进行编译时产生的暂停不会影响系统的响应时间。

B）垃圾收集的系统开销

前面论述过，Java中的自动内存分配和垃圾收集性能是实惠的，因为它去掉了最通常的程序错误根源并简化了程序设计人员的工作。但是，从实时系统的角度来看，它的问题恰好就在于它是自动的。当垃圾收集进行时，你的控制就受限了。

垃圾收集运行时，它冻结了系统其余部分的处理。这是因为它必须要在内存中移动对象，并必须在程序再次运行前，更新所有引用（指向）那些对象的程序变量。垃圾收集能冻结处理达数十分之一秒，具体取决于内存量和处理器的速度。很显然，这对硬实时系统是无法接受的，甚至极端时对软实时系统也是成问题的。

垃圾收集以三种方式开启。首先JVM有一个后台垃圾收集线程，此线程倾向于在它一看见系统有空闲就开始垃圾收集，若有事件想要唤醒另一个线程，后台垃圾收集就会被该线程占先，但它不会立刻被占先，它得更新那些已被移动得对象的所有引用后，才能让一个线程运行。

其次，若JVM没找到足够内存来满足某个内存分配请求，它将启动一个不会被占先的垃圾收集，在该操作完成之前，系统的其余部分被禁止。

最后，一个应用程序能通过调用Systev.gc（）方法来启动垃圾收集。所有，如果你知道系统暂时不会执行任何时序上关键的任务，你可以启动垃圾收集，并希望避免稍后在更关键时段进行收集。

C）JVM的系统开销

我们已经论述了许多JVM的内置特点，比如图形和网络，它们使得你的Java程序更快上市。所有这些特点的负面是JVM的内存开销。因为JVM是一个整块（要达到Java的可移植的目的，你必须完整的采纳），JVM的内存占用量不能减少。现在的JVM最少需要2MB以上的内存。

但是如果你的Java程序也在使用一些消耗内存的功能，由于一个JVM中有那么多的功能，各个Java应用程序就能写的小一点。如果你建立的是一个从网络上动态下载并运行多个程序的系统，那么这将是个很大的优点。但Java仍然不具备可配置性和可伸缩性，而这些是嵌入操作系统一直以老字号自居的特点。

D）硬件访问

Java实现可移植性的安全性的方法也意味着它缺乏直接同硬件接口的能力。JVM仅仅是一个虚拟的机器，一个对硬件的软件抽象，该抽象仅仅使连接是直接的。虚拟机控制与实际硬件的接口，而我们只能和虚拟机打交道。

但这并非无法逾越的限制，很多C程序使用内嵌汇编来规避性能上的瓶颈，所以Java程序也能使用C来获得对硬件的直接访问。

让Java和C一起工作有两种方式。第一、可以使用本地方式，它们是用C/C++或另一种语言写的，但当调用时，则装入与JVM同样的内存空间，运行于同样的环境。因为它们被编译成机器码，本地方式运行更快并能直接访问硬件。本地过程与Java代码之间通过套接来彼此交流，就像网络中通信端点使用的套接一样。在你选择了混合语言方法后，Java的与平台无关和安全特点就没有了。

可以考虑将前面提到的Java处理器作为软件JVM的解释器部分作为一种硬件实现方案。Java程序能在这些处理器上直接运行并操纵硬件，要注意Sun必需加一些特殊目的的指令给这种语言才能直接与这些处理器一起工作。

E）语言尚不够成熟

Java于1996年5月发布，几个月就有了beta版。第一个主要修订版，JavaDevelopmentKit（JDK）1.1在一年以后开发出来，以标准的程序设计语言角度来看，Java还很年轻，也很粗糙。实际上，所有通用语言，都要几年时间才能够成熟到能可靠的写出作为产品的应用程序的程度。

在其进一步发展中，Sun公司分了三个步骤来促进Java成为一种通用语言和计算机平台。首先，用Java编程实现现存的商业和企业的一些功能活动，诸如电子邮件、日历和字处理程序。在这些方面，Java将与传统的编程语言和传统的编程方法竞争。其次，把Java提供给企业，使他成为一种编写内部应用程序的方法。信息科学部门常常要用一种必须编译的（因而是针对具体平台的）语言来产生客户程序，因此由于平台不同而编译和维护不同的版本。如使用Java，信息科学部门只需编写和维护一种版本。最后一步，是为传统嵌入式设备应用，比如移动电话、机顶盒以及打印机定义JavaAPI以及语言功能。

Java开发的编程工具也仍在发展之中。有几个厂家提供编译器和开发工具，如Symantec、Microsoft以及Sun公司。Sun不再是JVM和JIT的仅有选择，其他几个供应商的产品也很有竞争力，这些公司在开发检测和调试工具上较慢。市场上有了一些初步的产品，Parasoft的Jtest软件自动为Java模块生成检测案例，而Numega的Jcheck为JVM中的程序行为提供一定的可见性。

目前仍然没有完善的交叉调试解决方案，即那种传统上被嵌入系统开发者用来处理目标平台上程序的方案，你很可能必须用C/C++来写你的程序中针对硬件的部分。不管怎样，你最好用一个C/C++交互调试器来调试那些代码，并在你的目标系统上用弹出对话框，保持记录文件，或其他类技巧来调试你的Java。

4、总结

由上可见，Java的嵌入式应用是排在Sun公司日程的最后的，Sun在继续为这些用途发展此语言，但对这方面的发展会次于桌面及企业用途。但是Java的优点已经不容忽视，越来越多的厂家和研究工作者正在加紧这方面的突破。希望这篇文章给这方面的探索者些许裨益。