Java 技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)中的作用探討

楊 迎

（黑龍江工商學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引言

嵌入式系統(tǒng)早在1971年微處理器問(wèn)世之后就開(kāi)始了研發(fā)。目前，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)得到了較全面的發(fā)展。隨著Internet技術(shù)在各領(lǐng)域的結(jié)合更加深入，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用也更加廣泛。例如：在當(dāng)下的通信領(lǐng)域，電視、電話等都應(yīng)用了嵌入式系統(tǒng)，而在其他領(lǐng)域的應(yīng)用也有很多。Java技術(shù)是在1991年加利福尼亞州門洛帕克市被稱為Green的工作小組所提出的應(yīng)對(duì)嵌入式系統(tǒng)，主要是在家電產(chǎn)品上應(yīng)用的一項(xiàng)技術(shù)，當(dāng)時(shí)這一技術(shù)還不稱為Java，而是在后期經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)期的不斷改進(jìn)、優(yōu)化后正式推出的Java技術(shù)，也可以稱之為Java語(yǔ)言。因?yàn)槠涫且环N編程語(yǔ)言，主要用于編寫嵌入式系統(tǒng)，但同時(shí)也是一種應(yīng)用開(kāi)發(fā)平臺(tái)。而Java技術(shù)之所以被嵌入式系統(tǒng)廣泛應(yīng)用，是因?yàn)镃＋＋語(yǔ)言過(guò)于龐大復(fù)雜，這不適應(yīng)于嵌入式系統(tǒng)的編寫，所以在其基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，取其精華去其糟粕，形成了被嵌入式系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的Java技術(shù)。因此，Java技術(shù)的問(wèn)世是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是對(duì)C＋＋語(yǔ)言的進(jìn)一步優(yōu)化。

1 嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)述

嵌入式系統(tǒng)與其他的計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)相比，有著獨(dú)特的優(yōu)越性，也有不足。其不能實(shí)現(xiàn)大容量的存儲(chǔ)，但可以在諸多方面滿足用戶的實(shí)際需求，例如功能、成本、功耗等。其具備較強(qiáng)的專用性，通常是以應(yīng)用為中心所展開(kāi)的程序編寫，通過(guò)對(duì)軟件及硬件的靈活裁剪以及重組，對(duì)不同應(yīng)用設(shè)置特定系統(tǒng)，可以更好地保障用戶體驗(yàn)，節(jié)約成本。同時(shí)，嵌入式系統(tǒng)通常也被應(yīng)用在對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的環(huán)境中，其可以對(duì)用戶的干預(yù)及時(shí)作出反應(yīng)，并且以最快的速度處理需求。部分嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用肩負(fù)重要使命，往往承擔(dān)著重要責(zé)任，例如國(guó)家機(jī)密等。這類系統(tǒng)往往對(duì)可靠性的要求極高，且其自身具有可封裝性、獨(dú)立性，是一個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)，并隱藏在目標(biāo)設(shè)備的內(nèi)部系統(tǒng)中，避免了外界的過(guò)多接觸，也就一定程度地增大了其可靠性。

2 Java技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用

Java技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用，首先要輔助其進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，構(gòu)建代碼層、Java類庫(kù)、本地類庫(kù)、平臺(tái)層、硬件層等結(jié)構(gòu)，確保嵌入式系統(tǒng)可以滿足用戶的實(shí)際需求。而各結(jié)構(gòu)的實(shí)際作用如下。

代碼層：用戶利用Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的程序；Java類庫(kù)：用戶在應(yīng)用程序?qū)?，也就是代碼層，會(huì)用到一些預(yù)先定義好的應(yīng)用程序接口，這些接口存在于Java類庫(kù)中，在用戶編寫Java程序時(shí)被調(diào)用。

本地類庫(kù)：通常被Java程序所使用，多應(yīng)用于Java虛擬機(jī)和實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，存放位置為嵌入式設(shè)備中。

平臺(tái)層：該層的形成主要由兩部分組成，一部分為Java虛擬機(jī)，核心是管理Java文件，對(duì)其內(nèi)存的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)儲(chǔ)，另一部分為實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，核心是為前者提供基礎(chǔ)運(yùn)行平臺(tái)。

硬件層：該層在嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行中發(fā)揮著重要作用，為主要的硬件結(jié)構(gòu)，主要通過(guò)實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，對(duì)Java虛擬機(jī)運(yùn)行、網(wǎng)絡(luò)連接等進(jìn)行管理，并且解決運(yùn)行中出現(xiàn)的異常問(wèn)題［1］。

Java技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用具備著諸多優(yōu)勢(shì)，其主要優(yōu)勢(shì)如下：可以無(wú)視網(wǎng)絡(luò)需求，在無(wú)網(wǎng)絡(luò)的情況下正常運(yùn)行；可以在多個(gè)處理器上運(yùn)行，以滿足各種需求；可以對(duì)Java程序源代碼進(jìn)行編譯，以特定的指令應(yīng)用到目標(biāo)設(shè)備中；可以對(duì)Java運(yùn)行包進(jìn)行高度定制，以小體積滿足運(yùn)行要求［2］。

3 Java技術(shù)應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)所發(fā)揮的主要作用

Java技術(shù)之所以被嵌入式系統(tǒng)廣泛應(yīng)用，正是因?yàn)檠芯咳藛T長(zhǎng)時(shí)期的創(chuàng)新、改進(jìn)，才使其趨于完善，得以滿足嵌入式系統(tǒng)的實(shí)際需求。而在其完善之前，嵌入式系統(tǒng)主要應(yīng)用的是符號(hào)語(yǔ)言及C語(yǔ)言，但是在實(shí)際應(yīng)用中獲得成果的同時(shí)，也帶來(lái)了較大的問(wèn)題，例如：(1）難以處理嵌入式系統(tǒng)的異構(gòu)性。嵌入式系統(tǒng)的中央處理器類型較多，且運(yùn)用的操作系統(tǒng)也有所不同，這使其具備較強(qiáng)的異構(gòu)性，而C語(yǔ)言及符號(hào)語(yǔ)言對(duì)異構(gòu)性不能有效地處理。而反觀Java技術(shù)，其自身的兼容性特點(diǎn)決定了其能夠在各種環(huán)境下進(jìn)行應(yīng)用，即便是操作系統(tǒng)存在異構(gòu)性問(wèn)題的情況下，也可以通過(guò)適當(dāng)?shù)拇a調(diào)整來(lái)滿足兼容使用的需求。(2）難以有效維護(hù)系統(tǒng)。在嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中應(yīng)用這兩種語(yǔ)言，仍是依照著以往的開(kāi)發(fā)方式，難以對(duì)其產(chǎn)生較有利的幫助，進(jìn)而不能較好地進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)。Java技術(shù)相比較其他的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言和方式而言，其維護(hù)難度和維護(hù)成本更低，且Java技術(shù)自身的多樣性也決定了其在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中可以面臨多種選擇途徑，這也意味著在維護(hù)過(guò)程中具有較高的靈活性，能夠滿足不同的維護(hù)需求。(3）操作復(fù)雜。這種應(yīng)用方式，需要多種平臺(tái)的協(xié)助，共同支持系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，進(jìn)而增加了復(fù)雜性。操作難度低本身就是Java技術(shù)的優(yōu)勢(shì)之一，Java技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中無(wú)需多平臺(tái)同步應(yīng)用，單一平臺(tái)即可完成全部的操作流程。簡(jiǎn)單化的操作方式也決定了Java技術(shù)在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方面具有天然的優(yōu)勢(shì)，使用Java技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的實(shí)際難度也要低于其他方式。(4）程序轉(zhuǎn)移較困難，在這兩種語(yǔ)言的應(yīng)用中，由于系統(tǒng)的自身特性，會(huì)使一些操作程序難以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)間的轉(zhuǎn)換，而Java語(yǔ)言在嵌入式系統(tǒng)中可以發(fā)揮較好作用，有效解決這些問(wèn)題，尤其是其簡(jiǎn)單性、健壯性、安全性等特點(diǎn)更是使其具備較大優(yōu)勢(shì)，也為嵌入式系統(tǒng)的推廣提供了保障。具體作用如下。

3.1 令系統(tǒng)成為具備通用性的通信設(shè)備

國(guó)家一直以來(lái)都高度重視通信技術(shù)，力求使其為各行業(yè)發(fā)展提供更有力的保障，而隨著技術(shù)研發(fā)愈加深入，通信設(shè)備也取得了較多的成果。尤其是應(yīng)用Java技術(shù)的嵌入式系統(tǒng)成為一個(gè)具備通用性的通信設(shè)備，從根本上解決了操作系統(tǒng)不兼容的問(wèn)題。在過(guò)去的嵌入式程序中，需要依靠微處理器實(shí)現(xiàn)對(duì)程序的設(shè)計(jì)，而Java技術(shù)對(duì)處理器沒(méi)有任何要求，在嵌入式系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中不需要考慮處理器的因素，就可以使程序在其他系統(tǒng)上存在，實(shí)現(xiàn)程序的下載，進(jìn)而滿足各種不同應(yīng)用環(huán)境的實(shí)際需求。

3.2 保障了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性

系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性本就是一項(xiàng)重要的特性，而嵌入式系統(tǒng)更是會(huì)被應(yīng)用到一些實(shí)時(shí)性要求較高的環(huán)境中，所以工作人員對(duì)嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求較高。在過(guò)去，應(yīng)用C語(yǔ)言的嵌入式系統(tǒng)具有一定的實(shí)時(shí)性，但同時(shí)也存在著很大的問(wèn)題。例如：C語(yǔ)言龐大復(fù)雜的特性導(dǎo)致開(kāi)發(fā)平臺(tái)煩瑣等。Java技術(shù)可以有效地解決這些問(wèn)題，可以提高嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)行速度，并且可以在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，以最快的速度做出反應(yīng)，完成資源分配、任務(wù)調(diào)度等工作。同時(shí)，隨著時(shí)代發(fā)展，實(shí)際需求也處于不斷變化中，Java技術(shù)的應(yīng)用可以適應(yīng)這樣多變的環(huán)境，降低內(nèi)存管理系統(tǒng)的應(yīng)用，提高軟件的開(kāi)發(fā)效率，滿足時(shí)代對(duì)實(shí)時(shí)性的需求，使嵌入式系統(tǒng)可以在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出。

3.3 減少系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)時(shí)間

在嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中，利用C語(yǔ)言、符號(hào)語(yǔ)言提高不了開(kāi)發(fā)效率，而Java語(yǔ)言作為C語(yǔ)言的改進(jìn)體，是一種面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言，具有代碼和數(shù)據(jù)封裝體的諸多優(yōu)點(diǎn)，例如繼承性、多態(tài)性等。這使嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)只需采用或者修改Java類庫(kù)就可以實(shí)現(xiàn)，從而減少嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)時(shí)間，提高開(kāi)發(fā)效率，加快生產(chǎn)投放［3］。

3.4 保障了系統(tǒng)的安全性

Java語(yǔ)言在設(shè)計(jì)之初，摒棄了C語(yǔ)言諸多復(fù)雜的概念，例如指針變量等。這樣的做法對(duì)Java有了一定的約束，使其難以隨意訪問(wèn)除了Java內(nèi)存分配的對(duì)象外的其他內(nèi)存。同時(shí)，Java編譯器在分類機(jī)制上有著較嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奶匦裕@使得其基本上無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)未分配內(nèi)存的訪問(wèn)，一定程度上杜絕了惡意代碼的編寫。Java程序的運(yùn)行是在Java虛擬機(jī)上完成的，與操作系統(tǒng)處于徹底隔離的狀態(tài)，計(jì)算機(jī)發(fā)生異常，不會(huì)影響Java程序，從而大幅度提高了嵌入式系統(tǒng)的安全性［4］。

3.5 增強(qiáng)了系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)功能

當(dāng)下，實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化，簡(jiǎn)便、快速地聯(lián)網(wǎng)是非常必要的。過(guò)去利用C語(yǔ)言等可以實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，但是需要開(kāi)發(fā)人員耗費(fèi)大量的精力學(xué)習(xí)如何使用附件包。Java技術(shù)的應(yīng)用可以利用內(nèi)置的網(wǎng)絡(luò)支持，省去了學(xué)習(xí)附件包的流程，且具備較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)編程，可以減少時(shí)間等成本的投入，增強(qiáng)了系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)功能［5］。

3.6 提高開(kāi)發(fā)效率和可維護(hù)性

從嵌入式系統(tǒng)的生命周期角度來(lái)看，Java技術(shù)的應(yīng)用從某種角度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)開(kāi)發(fā)和維護(hù)環(huán)節(jié)的全面簡(jiǎn)化?？紤]到嵌入式系統(tǒng)的目標(biāo)環(huán)境需要建立在某一虛擬機(jī)上，故大幅度降低了代碼的編寫和調(diào)試難度。從目前的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，嵌入式系統(tǒng)在未來(lái)將與大量的外接設(shè)備進(jìn)行連接，系統(tǒng)的整體復(fù)雜程度將進(jìn)一步提升，而Java技術(shù)的升級(jí)難以保證其在系統(tǒng)的整個(gè)生命周期中都可以起到?jīng)Q定性作用。與此同時(shí)，伴隨著外接設(shè)備的持續(xù)增加，遠(yuǎn)程管理模塊的構(gòu)建將成為可能，這也意味著在原有系統(tǒng)上增加全新的功能成為易事。這也在某種程度上提高了開(kāi)發(fā)效率和可維護(hù)性。

3.7 重復(fù)利用代碼

隨著嵌入式技術(shù)的成熟以及系統(tǒng)本身變得更大、更優(yōu)化，很多人開(kāi)始對(duì)把一個(gè)產(chǎn)品的模塊甚至是全部的應(yīng)用程序用到另一個(gè)產(chǎn)品上產(chǎn)生興趣。這種可重新利用性使得“一次開(kāi)發(fā)，多次利用”成為可能。Java環(huán)境使得一個(gè)模塊只要做很少的工作就可以適應(yīng)多個(gè)項(xiàng)目和平臺(tái)。當(dāng)客戶需要一個(gè)新的目標(biāo)板時(shí)，采用新的硬件(CPU或外設(shè)）和軟件，或者使用不同的Linux都可以通過(guò)移植實(shí)現(xiàn)。

3.8 集成Java代碼和源代碼

源代碼的應(yīng)用在本質(zhì)上可以有效提升代碼的重復(fù)利用能力。在實(shí)際應(yīng)用Java技術(shù)的過(guò)程中，無(wú)論是已經(jīng)設(shè)計(jì)完成的界面、虛擬機(jī)，還是底層硬件，都可以通過(guò)源代碼優(yōu)化的方式與嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行兼容使用。從某種角度來(lái)看，其雖然無(wú)法從根本上進(jìn)行移植，但對(duì)于功能應(yīng)用而言，基于本次環(huán)境而開(kāi)發(fā)代碼則是一種最優(yōu)選擇，且無(wú)論是安全特性還是開(kāi)發(fā)效率都能夠有所保障。與之相比，Java技術(shù)的基本庫(kù)本身就能夠提供相關(guān)代碼內(nèi)容，這對(duì)于促進(jìn)開(kāi)發(fā)過(guò)程有著直接積極的影響。

3.9 其他方面的作用

除此之外，Java技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)連接以及硬盤沒(méi)有較嚴(yán)格的要求，甚至于在缺乏這兩者的情況下依然可以運(yùn)行，更是為系統(tǒng)帶來(lái)了諸多積極作用。例如：一是Java技術(shù)可以使嵌入式設(shè)備的內(nèi)存管理開(kāi)發(fā)變得簡(jiǎn)便；二是由于連接網(wǎng)絡(luò)的特性，使嵌入式系統(tǒng)的操作使用變得簡(jiǎn)便；三是Java技術(shù)可以及時(shí)、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)異常、錯(cuò)誤信息，并及時(shí)處理；四是具備較強(qiáng)的靈活性，在嵌入式系統(tǒng)還沒(méi)有開(kāi)啟的時(shí)候，用戶可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行重新制定以及配置，充分利用了Java技術(shù)的動(dòng)態(tài)性。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，Java技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用有著至關(guān)重要的意義，可以發(fā)揮較好的作用效果，尤其是針對(duì)C語(yǔ)言、符號(hào)語(yǔ)言而言，更是具備較大的優(yōu)勢(shì)，可以最大限度地推動(dòng)嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，使其應(yīng)用更加廣泛。同時(shí)，Java技術(shù)的研發(fā)初衷就是為了更好地解決C語(yǔ)言在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用問(wèn)題，所以其有著較全面的特點(diǎn)，例如可靠性、安全性和穩(wěn)定性等，可以充分解決以往系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中存在的問(wèn)題。該項(xiàng)技術(shù)是一種編程語(yǔ)言，也是一個(gè)平臺(tái)，在實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生問(wèn)題難以避免，所以技術(shù)研發(fā)人員要不斷進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)新，確保其可以滿足時(shí)代需求以及用戶需求，為嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。