作為一種支持面向?qū)ο蟪橄蠛蛙浖M件可擴展組合的高級編程語言，Java是開發(fā)用戶界面和應(yīng)用程序軟件的理想選擇。然而，Java軟件如何最有效地解決嵌入式軟件典型的低級問題并且通常用C語言編程，這一點還不太明顯。然而，新的硬實時Java技術(shù)針對的是低級嵌入式實時開發(fā)的特殊需求？并擊敗了混合C和Java混合語言方法。

嵌入式系統(tǒng)與構(gòu)建它們的人以及它們執(zhí)行的底層執(zhí)行引擎一樣多。同樣，在為低級實時計算（ìrubber 與道路相遇）選擇Java 運行時環(huán)境時，一刀切的解決方案既不可行也不實用。

在聲稱支持實時垃圾回收的現(xiàn)有虛擬機中，每個虛擬機提供的功能略有不同，表示對軟實時截止時間的不同程度的遵守，其中內(nèi)存限制和虛擬機占用無關(guān)。較少數(shù)量的虛擬機可以處理較低級別的要求，其中硬實時截止時間、執(zhí)行速度和內(nèi)存占用更為重要。通常，這些虛擬機與管理底層硬件服務(wù)的底層操作系統(tǒng)或 RTOS 共存。但是，事實是：有時這還不夠好。有時，Java軟件需要超越硬件抽象層，直接與硬件設(shè)備通信。

在Java越來越被認(rèn)為是首選語言的世界中，擁有自上而下的完整應(yīng)用程序覆蓋的虛擬機技術(shù)可能是一個顯著的優(yōu)勢。許多嵌入式 Java 應(yīng)用程序都是使用兩種語言方法構(gòu)建的。Java 用于應(yīng)用程序的更大、更復(fù)雜和更動態(tài)的部分，而 C 用于較低級別的功能，例如設(shè)備驅(qū)動程序或需要更快吞吐量的應(yīng)用程序部分。

這種選擇的影響會導(dǎo)致通過將Java和C應(yīng)用程序鏈接在一起的Java本機接口（JNI）進行尷尬和不可預(yù)測的轉(zhuǎn)換。人們這樣做的原因很明顯：傳統(tǒng)的虛擬機太大、太慢、太不可預(yù)測，無法處理低級執(zhí)行。因此，新推出的硬實時Java技術(shù)現(xiàn)在可以使用Java語言而不是C來解決低級實時問題。與JNI技術(shù)相比，這種硬實時Java技術(shù)還為將傳統(tǒng)的高級Java代碼連接到低級C代碼提供了卓越的性能和健壯性。硬實時 Java 現(xiàn)在可以取代 C 代碼來實現(xiàn)直接與硬件通信的設(shè)備驅(qū)動程序。這允許僅Java的連續(xù)統(tǒng)一體，從成熟的Java的1到10秒響應(yīng)時間，一直到硬實時Java的10微秒響應(yīng)時間，這是解決硬件線速度所必需的。

用 Java 替換 C

混合語言方法的弱點是幾個方面的。首先，每當(dāng)應(yīng)用軟件跨越Java和C執(zhí)行之間的邊界時，JNI協(xié)議都會提取高收費。此協(xié)議開銷可能是可執(zhí)行代碼成本的兩倍以上，它破壞了將 C 語言用于應(yīng)用程序的某些性能關(guān)鍵部分的許多性能優(yōu)勢。其次，更重要的是，Java 安全模型會因在

應(yīng)用程序中引入 C 代碼而受到損害。在過去 10 年構(gòu)建的大量嵌入式 Java 應(yīng)用程序中，代表超過 100 萬行嵌入式 Java 代碼，Aonix 支持工程師發(fā)現(xiàn)，C 和 Java 代碼之間的 JNI 接口代表了最常見的故障點。

使此問題更加復(fù)雜的是，這些錯誤是最難調(diào)試的錯誤之一。這是因為無意中破壞了 JNI 協(xié)議的 C 程序員會使隨附的 Java 虛擬機處于不穩(wěn)定狀態(tài)。該錯誤可能表現(xiàn)為 Java 應(yīng)用程序代碼或 Java 虛擬機本身的實現(xiàn)中的錯誤。虛擬機供應(yīng)商、Java 應(yīng)用程序開發(fā)人員和 C 開發(fā)人員之間的相互指責(zé)結(jié)果。

Java 規(guī)范請求 （JSR） 302 正在開發(fā)硬實時安全關(guān)鍵型 Java 編程的標(biāo)準(zhǔn)方法。除了支持核電站關(guān)閉和商用飛機控制等應(yīng)用的嚴(yán)格安全認(rèn)證要求外，安全關(guān)鍵型Java標(biāo)準(zhǔn)還代表了適用于Java語言開發(fā)各種低級代碼的基礎(chǔ)。這個不斷發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)的原型實現(xiàn)已經(jīng)證明，在內(nèi)存占用（超過 100 倍）、吞吐量（高達 3 倍）和確定性（數(shù)千倍）方面顯著節(jié)省成本。這種低級 Java 代碼能夠展示優(yōu)化 C 語言 10% 以內(nèi)的性能

特征。它能夠通過支持一級中斷處理程序的Java 實現(xiàn)和設(shè)備寄存器輸入和輸出操作來直接控制設(shè)備硬件。

對于那些必須構(gòu)建從動態(tài)高級復(fù)雜性到靜態(tài)低級簡單性的分層軟件體系結(jié)構(gòu)的人來說，已經(jīng)設(shè)計了一種機制，允許非常高效和健壯地集成低級

硬實時Java組件與高級傳統(tǒng)Java組件。從長期工程角度來看，在整個應(yīng)用程序中消除 C 代碼可以產(chǎn)生更好的控制、更高的可預(yù)測性、更低的軟件維護成本和更長的軟件壽命。

性能結(jié)果

Aonix 演示具有計算密集型分形程序，其中分形渲染以 C 或硬實時 Java 代碼實現(xiàn)。在這兩種情況下，圖形顯示都是用Java編程的，帶有SWT圖形接口。演示揭示的全 Java 性能提升是高級和低級 Java 代碼之間更清晰集成的好處。全 Java 解決方案清楚地顯示了在高級 Java 代碼和低級 C 代碼之間進行集成所需的 Java 本機接口帶來的低效率。

該演示是在嵌入式 Linux 環(huán)境中運行的，對于此特定演示，不需要解決裸硬件問題。事實上，傳統(tǒng)的Java和硬實時Java技術(shù)將在大多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)和商業(yè)RTOS環(huán)境中運行。硬實時Java技術(shù)非常簡單，也可以安裝在裸硬件上運行，而無需底層操作系統(tǒng)。

除了從應(yīng)用程序中消除 C 語言提高了可靠性、可維護性和開發(fā)人員生產(chǎn)力之外，此演示還表明，全 Java 解決方案的運行速度比等效的 Java-C混合程序高出 2 比 1。確切的加速比取決于縮放系數(shù)和窗口大小。通過一個特定的測量，全Java程序的運行速度比混合程序快2.33倍。

全 Java 解決方案簡化了開發(fā)、集成和維護

沒有放之四海而皆準(zhǔn)的JVM，但是現(xiàn)在硬實時Java提供了一種單一來源的Java補救措施，可以覆蓋嵌入式實時應(yīng)用程序的所有級別，從高級應(yīng)用程序復(fù)雜性一直到最低級別的硬件。

審核編輯：郭婷