支持RTSJ的Java处理器的研究与设计

摘要

Java语言由于其独特的“一次编译，随处运行”的特点已经成为目前因特网上非常流行的编程语言。平台无关、面向对象、多线程、可靠安全这些特性使得Java在互联网领域得到广泛应用的同时，也引起了嵌入式领域研究人员的高度重视，他们希望能将Java语言改造成嵌入式及实时系统开发的主流语言来提高开发效率及增加系统安全性。然而在现实中，Java语言却很少应用于嵌入式系统，这主要是由于Java如下两方面的不足；(1)Java虚拟机的实现需要大量的硬件资源；(2)Java语言的运行时间不可预测。 由于嵌入式系统一般为实时系统，而传统的Java技术对实时问题关注不够。针对传统Java技术在实时性方面的不足，Sun公司联合IBM、Microware等公司制定了实时Java规范(RTSJ)，为实时Java平台的实现提供了参考，实时Java规范在内存管理、线程调度、异步事件处理、异步控制转移等多个影响实时性的方面进行了扩展，使得Java能够适用于实时系统。 随着实时Java规范的推出，如何实现适用于嵌入式系统的高效实时Java平台就成为了研究热点。目前，常见的实时Java平台实现方式有解释方式、提前编译、硬件加速、硬件翻译以及Java处理器方式。同其它实现方式相比，Java处理器免除了把Java字节码转换为机器代码的工作同时还可以针对Java虚拟机特点提供特殊的硬件支持。因此具有能够直接硬件执行Java字节码、执行效率高、内存占用少、功耗低等特点，所以更适合用于资源受限的嵌入式设备。 本论文设计了一种能在低成本FPGA芯片中实现的嵌入式实时Java处理器，并用软件方式实现了RTSJ中的同步机制。论文的主要创新点如下： 1.使用基于堆栈的RISC模型处理器实现CISC模型的JVM2.处理器微指令无任何相关性3.提供了对防止优先级逆转的支持4.处理器具备一定的可扩展性，可以逐步添加字节码论文总体上分为五个部分，第一部分介绍了实时Java处理器的设计规范JVM和RTSJ，第二部分为Java处理器的总体设计，第三部分用软件方式实现了免等待的同步机制，第四部分为Java处理器的FPGA实现和功能仿真，第五部分为总结和展望。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章引言

1.1研究背景及意义

1.1.1 Java语言简介

1.1.2 Java用于实时开发的分析

1.1.3 Java平台研究现状

1.2研究内容及目标

1.3论文的组织结构

第二章Java在嵌入式系统中应用的相关问题

2.1 Java体系结构

2.2 Java虚拟机

2.2.1 Java虚拟机的体系结构

2.2.2 Java虚拟机的运行过程

2.3 Java虚拟机的实现方式

2.4实时Java规范

2.4.1线程和调度

2.4.2内存管理

2.4.3同步

2.5实时Java的分析

2.6本章小结

第三章Java处理器的设计

3.1整体架构设计

3.2指令系统设计

3.2.1 Java字节码与使用率

3.2.2指令结构

3.2.3基本指令设计

3.2.4复杂指令设计

3.3系统寄存器设计

3.4 Java处理器结构设计

3.4.1字节码取指单元

3.4.2微码取指单元

3.4.3译码单元

3.4.4执行单元

3.5 Java处理器外围模块设计

3.5.1扩展控制模块

3.5.2 I/O模块

3.5.3外部存储模块

3.6指令相关性分析

3.7本章小结

第四章RTSJ中同步机制的实现

4.1传统Java在同步中存在的问题

4.1.1任务的优先级

4.1.2优先级逆转

4.1.3同步方法持有监视器的时间的不确定

4.2 RTSJ中的同步机制

4.2.1等待队列

4.2.2优先级逆转

4.3 RTSJ中的同步机制的实现

4.3.1简单的实现

4.3.2并发的实现

4.4实现的理论分析

4.5本章小结

第五章Java处理器的FPGA实现与功能验证

5.1实验环境

5.2 Java处理器各模块的FPGA实现与功能仿真

5.2.1字节码取指单元

5.2.2中断处理

5.2.3微指令取指单元

5.2.4译码单元

5.2.5执行单元

5.2.6扩展控制模块

5.2.7 IO模块

5.2.8外部存储模块

5.3本章小结

第六章总结与展望

6.1论文工作总结

6.2进一步需要开展的工作

致谢

参考文献

附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文