作為一種支持面向?qū)ο蟪橄蠛蛙浖M件可擴(kuò)展組合的高級(jí)編程語(yǔ)言，Java是開(kāi)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(jí)問(wèn)題并且通常用C語(yǔ)言編程，這一點(diǎn)還不太明顯。然而，新的硬實(shí)時(shí)Java技術(shù)針對(duì)的是低級(jí)嵌入式實(shí)時(shí)開(kāi)發(fā)的特殊需求？并擊敗了混合C和Java混合語(yǔ)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(jí)實(shí)時(shí)計(jì)算（ìrubber 與道路相遇）選擇Java 運(yùn)行時(shí)環(huán)境時(shí)，一刀切的解決方案既不可行也不實(shí)用。

在聲稱支持實(shí)時(shí)垃圾回收的現(xiàn)有虛擬機(jī)中，每個(gè)虛擬機(jī)提供的功能略有不同，表示對(duì)軟實(shí)時(shí)截止時(shí)間的不同程度的遵守，其中內(nèi)存限制和虛擬機(jī)占用無(wú)關(guān)。較少數(shù)量的虛擬機(jī)可以處理較低級(jí)別的要求，其中硬實(shí)時(shí)截止時(shí)間、執(zhí)行速度和內(nèi)存占用更為重要。通常，這些虛擬機(jī)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(shí)是：有時(shí)這還不夠好。有時(shí)，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(lái)越被認(rèn)為是首選語(yǔ)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(jī)技術(shù)可能是一個(gè)顯著的優(yōu)勢(shì)。許多嵌入式 Java 應(yīng)用程序都是使用兩種語(yǔ)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(dòng)態(tài)的部分，而 C 用于較低級(jí)別的功能，例如設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(huì)導(dǎo)致通過(guò)將Java和C應(yīng)用程序鏈接在一起的Java本機(jī)接口（JNI）進(jìn)行尷尬和不可預(yù)測(cè)的轉(zhuǎn)換。人們這樣做的原因很明顯：傳統(tǒng)的虛擬機(jī)太大、太慢、太不可預(yù)測(cè)，無(wú)法處理低級(jí)執(zhí)行。因此，新推出的硬實(shí)時(shí)Java技術(shù)現(xiàn)在可以使用Java語(yǔ)言而不是C來(lái)解決低級(jí)實(shí)時(shí)問(wèn)題。與JNI技術(shù)相比，這種硬實(shí)時(shí)Java技術(shù)還為將傳統(tǒng)的高級(jí)Java代碼連接到低級(jí)C代碼提供了卓越的性能和健壯性。硬實(shí)時(shí) Java 現(xiàn)在可以取代 C 代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)直接與硬件通信的設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(shí)間，一直到硬實(shí)時(shí)Java的10微秒響應(yīng)時(shí)間，這是解決硬件線速度所必需的。

用 Java 替換 C

混合語(yǔ)言方法的弱點(diǎn)是幾個(gè)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(shí)，JNI協(xié)議都會(huì)提取高收費(fèi)。此協(xié)議開(kāi)銷可能是可執(zhí)行代碼成本的兩倍以上，它破壞了將 C 語(yǔ)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(shì)。其次，更重要的是，Java 安全模型會(huì)因在

應(yīng)用程序中引入 C 代碼而受到損害。在過(guò)去 10 年構(gòu)建的大量嵌入式 Java 應(yīng)用程序中，代表超過(guò) 100 萬(wàn)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(jiàn)的故障點(diǎn)。

使此問(wèn)題更加復(fù)雜的是，這些錯(cuò)誤是最難調(diào)試的錯(cuò)誤之一。這是因?yàn)闊o(wú)意中破壞了 JNI 協(xié)議的 C 程序員會(huì)使隨附的 Java 虛擬機(jī)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。該錯(cuò)誤可能表現(xiàn)為 Java 應(yīng)用程序代碼或 Java 虛擬機(jī)本身的實(shí)現(xiàn)中的錯(cuò)誤。虛擬機(jī)供應(yīng)商、Java 應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)人員和 C 開(kāi)發(fā)人員之間的相互指責(zé)結(jié)果。

Java 規(guī)范請(qǐng)求 （JSR） 302 正在開(kāi)發(fā)硬實(shí)時(shí)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(jī)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(yǔ)言開(kāi)發(fā)各種低級(jí)代碼的基礎(chǔ)。這個(gè)不斷發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)的原型實(shí)現(xiàn)已經(jīng)證明，在內(nèi)存占用（超過(guò) 100 倍）、吞吐量（高達(dá) 3 倍）和確定性（數(shù)千倍）方面顯著節(jié)省成本。這種低級(jí) Java 代碼能夠展示優(yōu)化 C 語(yǔ)言 10% 以內(nèi)的性能

特征。它能夠通過(guò)支持一級(jí)中斷處理程序的Java 實(shí)現(xiàn)和設(shè)備寄存器輸入和輸出操作來(lái)直接控制設(shè)備硬件。

對(duì)于那些必須構(gòu)建從動(dòng)態(tài)高級(jí)復(fù)雜性到靜態(tài)低級(jí)簡(jiǎn)單性的分層軟件體系結(jié)構(gòu)的人來(lái)說(shuō)，已經(jīng)設(shè)計(jì)了一種機(jī)制，允許非常高效和健壯地集成低級(jí)

硬實(shí)時(shí)Java組件與高級(jí)傳統(tǒng)Java組件。從長(zhǎng)期工程角度來(lái)看，在整個(gè)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(cè)性、更低的軟件維護(hù)成本和更長(zhǎng)的軟件壽命。

性能結(jié)果

Aonix 演示具有計(jì)算密集型分形程序，其中分形渲染以 C 或硬實(shí)時(shí) Java 代碼實(shí)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(jí)和低級(jí) 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(jí) Java 代碼和低級(jí) C 代碼之間進(jìn)行集成所需的 Java 本機(jī)接口帶來(lái)的低效率。

該演示是在嵌入式 Linux 環(huán)境中運(yùn)行的，對(duì)于此特定演示，不需要解決裸硬件問(wèn)題。事實(shí)上，傳統(tǒng)的Java和硬實(shí)時(shí)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(yùn)行。硬實(shí)時(shí)Java技術(shù)非常簡(jiǎn)單，也可以安裝在裸硬件上運(yùn)行，而無(wú)需底層操作系統(tǒng)。

除了從應(yīng)用程序中消除 C 語(yǔ)言提高了可靠性、可維護(hù)性和開(kāi)發(fā)人員生產(chǎn)力之外，此演示還表明，全 Java 解決方案的運(yùn)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(guò)一個(gè)特定的測(cè)量，全Java程序的運(yùn)行速度比混合程序快2.33倍。

全 Java 解決方案簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)、集成和維護(hù)

沒(méi)有放之四海而皆準(zhǔn)的JVM，但是現(xiàn)在硬實(shí)時(shí)Java提供了一種單一來(lái)源的Java補(bǔ)救措施，可以覆蓋嵌入式實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的所有級(jí)別，從高級(jí)應(yīng)用程序復(fù)雜性一直到最低級(jí)別的硬件。

審核編輯：郭婷