嵌入式系统用Java语言 嵌入式, 存储器, Java, 硬件

我是MT

Java是在C++基础上改进了的面向对象的语言。它可以得到类的封装、继承、多态等的优异重用性的好处，Java的小应用程序(Java Applet)还特别适合于上网。看来，用Java开发上的网的嵌入式应用应是很理想的，可惜，实现起来受嵌入式设备硬件在速度、存储器容量、和其它资源的限制，加上桌面Java语言操作不到硬件，和执行时间的不确定性，使Java应用于嵌入式系统遇到新的问题。Sun公司按PersonalJava规范开发的J2ME(Java 2 Micro Edition)，是专用研制用于开发嵌入式的上网个人消费类设备的。因此J2ME除有面向对象的优点外，还包含了Web能力。J2ME使用的是Java API的一个子集，它仅保留了API的关键特性并适当地作了简化。同时，又规定了两种可有存储模式：一个模式的内存为128～256KB，另一种模式是 256KB以上的。其他，如类包也根据存储模式选用。
下面为避免混淆，在文中凡未加特殊说明的Java，统指桌面Java而言。
一、 问题提出
*常用的解释性Java(Java Applet)的执行速度慢，不适于嵌入式的应用。
*Java要求过大的内存。
*嵌入式设备要求操作硬件。因Java废弃了C语言所使用的指针，且在Web环境下使用了Java虚拟机(JVM)，使Java无力直接甚至间接地用指针操作硬件。
*Java使用一些自动功能会引起执行时间的不确定性，成为嵌入式的大忌。如垃圾自动收集器。本是对于C的重大改进，但却因程序自动地回收垃圾，从而引入了实时的时间不确定性。
二、解决方案
使用AOT编译器
为解决解释性Java(Java Applet)执行速度过慢的问题，发展了AOT(ahead-of-time)编译器。大家喜欢在Internet上使用Java的一个原因是其字节码具有跨平台性，即同一Java代码可以运行于PC、Mac、Solaris，甚至于主机之上。为此，在英文叫它WORA(写一次即可通行于任意机)。这是因为每一操作系统平台上都有符合自己机型的专用Java虚拟机(JVM)，由它对字节码进行解释运行。因为解释程序需先被解释再被执行，多了解释环节，延误数秒钟时间。如果是拨打电话，这个时间足以令人生厌。现在使用AOT(ahead-of-time)超前编译器，提前将解释码转换为本平台所用的并经优化过的二进制码，速度提高很多。现有Cygnus公司声称，它开发的AOT编译器执行速度是原解释程序的8倍。NewMonics说它的 QuickPERC编译器是原解释程序的20倍。当然，AOT编译器也有不足，就是他牺牲了Java的WORA。
减少内存的占用
所有的面向对象语言，比C及汇编语言点用内存都多。这个问题对于桌面系统早已不再是考虑的因素了，如服务器平均占用数GB的内存已司空见惯。但是，对于嵌入式系统却不能不考虑。用Java开发的信息家电产品可能需要把内存限制到 512KB以下。如果嵌入式系统使用的是规模为1MB的核心类库，那就是说，一句代码尚未写，内存早就不够用了。
为此，需要把用不到的类、类方法和代统统从程序中剔除。(AOT超前编译器可以帮助解决这个问题。)再就是自己开发本平台专用的，既短小高效、又符合Java API标准的Java核心类库。
开发能混合编程的IDE
一般认为，用C语言写的程序，指锗使用不当引起的缺陷占总缺陷的80%左右。 Java语言，出于安全的考虑，才废弃了使用指针。但是，指针却能够最直接地访问到存储器和真实的硬件。现在，为在嵌入式Java中能够访问到硬件，不得不改用本地接口，即从嵌入式Java中利用能够访问到硬件的C语言函数来实行交叉编程。这就意味着增加了复杂性。开发人员需要具备多语言以及多层次的混合编程和混合调试的能力。发展多语言多层次混合编程的IDE，无疑十分有助于一般开发人员完成这一相当复杂的课题。Metrowerks的 CodeWorrior和IBM的VisualAge就是新开发的基于J2ME的这样的IDE。
克服时间的不确定性
Java最主要的问题是时间不确定性，主要来源于存储器残渣的自动收集再生器。这种垃圾收集再生器工作的时候，自动地决定何时停下其他程序的执行，再根据当时残渣的实际情况或长或短地完成任务。所以，它严重地干扰实时应用所要求的时间确定性。为解决这一问题，不同公司采用不同的方法和垃圾收集的算法。NewMonics的Real Time Executives和Windriver的FastJ都是保证绝对的确定时间，Sun公司用不同的办法但也保证具有实时的确定性。采用不同的编程技巧，譬如使用类型确定的线程局部存储，也可以避免因垃圾收集引发的冲突。
需保持跨平台的必要
AOT编译器生成的Java代码丧失了Java在其他操作平台上的执行能力。要想把Java的源代码再向其他平台移植，需要附加很大的劳动。面向对象的一个基本设计原理就是只要保持接品不变，那么，与接口交谈的代码在移植时就不受影响。所谓高级逻辑接口的隔离手法，事实上，就是将平台敏感的内容同移值无关的代码分离开来，并且分别提供同样功能的平台敏感程序。现在，针对嵌入式 Java，目前还没有人做这项工作。
三、实际应用
Java是良好的嵌入式编程语言吗?
还不能这么说，至少现在是这样。因为在嵌入式系统中，Java如何应用要看具体情况而定。对于需要管理中断来完成重要任务的应用系统，就不宜于选用Java进行开 发，譬如引导登外星的飞行器系统就是这样。对于要求轻型、高效、任务重要、时间确定性要求极高的系统，也是只能局限于使用C语言和汇编。比如，点燃登陆外星的制动火箭系统，定时通过串行口获取关键信息一边做出决定的系统，定时报告航天器方位的系统等都不能使用Java。但是，需要不断与他人通信联系，以便对货运进行有效管理的手持系统，又最适合使用Java编程。因为，它既发扬了Java Applet固有的跨平台应用地Web环境的特点，又能充分利用服务器端的现成软件。
使用Java有时也并不完全取决于技术
立足于经济上的考虑，比单独的技术考虑更为重要。譬如，对于服务器，为了支持使用Java，宁愿多花费数千元扩大存储器是正确的。因为，从投入/产出的分析也得出同样的结论。又如手机，若为支持使用Java，哪性仅只需要多花一元钱去扩大存储器也是不可行的。因为，手机的生产是以行百万件的产量来考虑的，多花一元线，就意味着多花千百万元，诺大的数字远比技术的先进更为重要，是显而易见的。
实施嵌入式Java时需注意
Java用于嵌入式还是瓣生事物，需要探路前进，摸着石头过河，忌冒进和全面开花。应试探性地从使用现成的嵌入式J2ME开始，在它的通用性的开发环境下运行本平台的字节码。尽可能地顺着J2MME向前走，尽可能地顺着J2ME向前走，尽可能地走得远一点，只有在遇到特殊问题时才导求新的解决办法。新方法的采用并不一定能够解决问题，比如，AOT或半自动的垃圾收集器等可能并没有解决你的问题，也勿惊慌，要总结经验做出评价，继续前进，使嵌入式Java日罄完善。
要重视IDE的选用，好的IDE绝对是良好的助手。否则，你是单枪匹马，披荆斩棘，艰苦良多。