一种Java Processor启动时类装载方法

摘要

本发明公开了一种Java Processor启动时类装载方法，其步骤为：1)芯片初始化；2)启动字节码读取单元；3)选择并设置类装载路径；4)装载用户类装载器；5)装载操作系统。该方法参考通用PC中的BIOS技术思想设计，芯片生产时，将启动模块代码固化在芯片内部，系统启动时自动运行该部分代码，实现外围设备初始化的功能外，同时构建Java虚拟机系统类装载器，以及从外围存储设备或网络环境中装载以字节码文件存储的Java嵌入式操作系统或Java应用程序。本发明使得基于Java Processor的Java应用程序开发过程与其他嵌入式Java应用程序趋于相同，为芯片使用者和软件开发者提供便利，同时使得所有遵循Java规范的Java字节码文件都能在芯片上运行，提高系统通用性和发挥Java技术可移植性。

说明书

技术领域

本发明属于嵌入式处理器设计领域，具体来说，涉及一种JavaProcessor启动时类装载方法。

背景技术

目前在Java Processor里的类装载功能主要是在开发主机中通过软件模拟实现，在开发主机中运行软件，根据编译后的Java字节码文件，进行类型验证，分配内存，符号解析，初始化变量等类装载操作，生成一个Java程序执行时内存镜像文件，然后将镜像文件下载到系统存储器中，直接运行。

这种方法使用开发主机实现了一部分Java程序运行的过程，与Java标准规法不兼容，使得Java软件开发过程变得繁琐，除了必须运行常规的Java编译程序将Java高级语言源代码编译成字节码文件之外，还必须进行一个“二次编译”的过程生成执行时内存镜像文件。这种方法生成的镜像文件不能移植到其他Java平台使用，以及“二次编译”软件对平台的依赖性，显著的削弱了Java技术的可移植性。

发明内容

为了克服以上的不足，本发明提出了一种Java Processor启动时类装载方法。它的主要步骤包括：1)芯片初始化；2)启动字节码读取单元；3)选择并设置类装载路径；4)装载用户类装载器；5)装载操作系统。

所述该方法参考通用PC中的BIOS设计思想，在芯片生产时，将启动模块代码固化在芯片内部。

所述步骤1)芯片初始化过程中，将启动模块中的初始化程序代码也作为一段微码子程序存储在片上ROM中，启动时直接执行该段代码，以进行初始化工作，如检测内存，初始化串口，网络等工作，同时为I/O操作提供简单的系统调用，为之后字节码的读取和运行做准备。

所述步骤3)中系统类装载器以软件实现，程序代码同样固化在芯片内部的片上ROM。

所述步骤4)中用户类装载器也是作为一个类被装载到系统中，并且是必须的。

所述步骤5)中操作系统是一个由Java语言开发的小型操作系统，其核心的装载将由系统类装载器和用户类装载器进行。

所述启动模块固件不能像其他Java程序那样使用类来组织数据和代码，其具体实现方式有以下三种：

1)用自定义的微码指令实现，微码指令功能简单，易于开发，但并未形成标准，仅适合于启动时较为简单的需求；

2)使用没有形成类结构的Java字节码指令实现，可以实现较为强大的功能，由于Java字节码指令比较复杂，并且该部分程序代码没有形成类结构，不能使用Java高级语言编写，缺少开发环境，技术难度比较大；

3)以上两种方式的结合，在简单的初始化阶段运行微码指令，在复杂的类装载器实现和装载字节码文件阶段使用Java字节码指令。

本发明的有益效果：

1、使得基于Java Processor的Java应用程序的开发过程与其他嵌入式Java应用程序的开发过程趋于相同，为芯片使用者和软件开发者提供便利。

2、使得所有遵循Java规范的Java字节码文件都能在芯片上运行，提高系统的通用性和发挥Java技术的可移植性。

附图说明

图1为Java processor的启动流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步阐述。

如图1所示，一种Java Processor启动时类装载方法，它的主要步骤包括：1)芯片初始化；2)启动字节码读取单元；3)选择并设置类装载路径；4)装载用户类装载器；5)装载操作系统。

该方法参考通用PC中的BIOS设计思想，在芯片生产时，将启动模块代码固化在芯片内部，在系统启动时自动运行该部分代码，除了实现外围设备初始化的功能外，同时构建Java虚拟机的系统类装载器，以及从外围存储设备或网络环境中装载以字节码文件存储的Java嵌入式操作系统或者Java应用程序。

各步骤具体说明：

1、芯片初始化

Java processor在执行Java字节码指令时需要将其翻译成微码子程序来运行，因此在处理器内部有一个片上ROM来存储微码子程序。每一条可实现的字节码指令都对应一段微码子程序。本技术利用这一机制，将启动模块中的初始化程序代码也作为一段微码子程序存储在片上ROM中，启动时直接执行该段代码，以进行初始化工作，如检测内存，初始化串口，网络等工作，同时为I/O操作提供简单的系统调用，为之后字节码的读取和运行做准备。

2、启动字节码读取单元

Java process处理器的指令执行过程分成4步进行：取字节码，取微码，译码，执行。

在芯片初始化过程中，字节码读取单元没有启动，因此“取字节码”这一步并没有也没必要进行，处理器直接在片上ROM中读取以微码形式存储的初始化程序代码，然后执行。

初始化过程结束后，为了能够执行Java字节码指令，处理器必须启动字节码读取单元，该动作由初始化程序代码的最后两条指令触发，第一条指令将启动字节码读取单元，使得“取字节码”这一步流程加入到执行过程中，等待第一条字节码指令成功读取后，最后一条微码指令根据字节码指令的内容，跳转到对应的微码子程序段执行。

3、选择并设置类装载路径

该步骤的执行核心是系统类装载器。Java程序以类的形式组织，因此用户必须为系统提供类装载路径，系统根据用户的选择将可从串口，Flash存储器，或者网络获取字节码文件，并对其进行解析进而运行应用程序。这个过程必须由类装载器实现。而根据Java虚拟机规范，最初始化的类装载器，即系统类装载器必须由虚拟机自己本身实现。由系统类装载器可以装载其他由用户自定义类装载器，进而实现更强大的类装载功能。

系统类装载器以软件实现，程序代码同样固化在芯片内部的片上ROM。

运行系统类装载器的时机有两个：

其一，在字节码读取单元启动之前运行。

因为此时字节码读取单元尚未启动，处理器只能执行微码指令，所以只能以微码指令实现系统类装载器，由于微码指令功能简单，不具备通用性，所以这样实现的类装载器开发过程比较复杂，但运行效率较高。

其二，在字节码读取单元启动之后进行。

字节码读取单元启动之后，处理器能够执行的Java字节码指令必须是已经在内存中平坦存储的，而不能执行Java class文件中具有类结构的字节码，Java class字节码文件是由Java编译器以类为单位编译后的字节码文件。其中除了包含字节码指令之外，还包含了其他与类组织相关的信息，如类属性，常数池，可访问标记等。以访问内存时的地址为例，此时字节码指令中的地址必须是明确的物理地址，而Java class文件中字节码指令的地址是以符号链接的形式存储的。要执行这些Java虚拟机规范中指定的具有类结构的字节码，必须先实现系统类装载器，用于解析Java class文件。通常的解析过程非常复杂，因此，在字节码读取单元启动之后进行该步骤，可利用已经可以运行的的平坦Java字节码指令来实现系统类装载器。字节码指令的功能复杂丰富，使得该部分程序开发容易简单，也易于该模块的修改升级。

4、装载用户类装载器

对于Java虚拟机或者Java processor而言，用户类装载器也是作为一个类被系统类装载器装载到系统中。相比起系统类装载器，用户类装载器可提供更强大的类装载功能。Java虚拟机规范中，实现系统类装载器时允许选择是否提供用户类装载功能，对于绝大多数的嵌入式Java应用程序，系统类装载器提供的装载功能已经足够，但是为了实现Java操作系统，在Java processor中，提供用户类装载功能是有必要的。

用户类装载器在PC机上使用Java高级语言开发，编译成Java class文件后，由Java process中的系统类装载器模块装载到系统中。

5、装载操作系统

鉴于越来越复杂的嵌入式应用，系统将提供一个由Java语言开发的小型操作系统，以简化应用程序的开发过程，可缩短产品周期。和普通Java应用程序一样，操作系统核心的装载将由系统类装载器和用户类装载器进行。

由于启动时，系统还不具有类装载器，所以启动模块固件1-3步不能像其他Java程序那样使用类来组织数据和代码。具体实现方式有以下三种：

1.使用微码指令实现，微码指令功能简单，易于开发，适合于启动时较为简单的需求。

2.使用没有形成类结构的Java字节码指令实现，可以实现较为强大的功能。由于Java字节码指令比较复杂，并且该部分程序代码没有形成类结构，不能使用Java高级语言编写，缺少开发环境，技术难度比较大。

3.以上两种方式的结合，在简单的初始化阶段运行微码指令，在复杂的构建类装载器和装载字节码文件阶段使用Java字节码指令。