一種基于Java的可編程嵌入式系統(tǒng)設計

1、一種基于java的可編程嵌入式系統(tǒng)設計傳統(tǒng)的系統(tǒng)設計的主要目標是找到一種優(yōu)化的體系結構來完成單一的，特定的功能。對這樣的系統(tǒng)來說，asic和核心處理器是作為特殊的構件模塊加以考慮的：設計者按照應用的要求挑選適當?shù)腶sic，按照給定的性能要求比如處理器主頻，系統(tǒng)穩(wěn)定性，以及對功耗的要求等選用適當?shù)奶幚砥鲀群?。然而，在當今移動通信已經進入每個人的生活的今日，現(xiàn)在的嵌入式系統(tǒng)比如pda等已經不同于傳統(tǒng)意義上的嵌入式系統(tǒng)了，它們有自己的獨特特點?？陀^需要要求它們能夠支持多種應用功能如網頁掃瞄，播放音頻/視頻文件，以及舉行無線網絡通信等。這樣看來，傳統(tǒng)的設計思路由于只面對單一的應用，無法滿足多應用嵌入式

2、系統(tǒng)的需求。而解決這一問題的良好途徑便是向嵌入式系統(tǒng)引入可編程能力，以使得系統(tǒng)能夠按照用戶的不同要求實現(xiàn)對不同應用的支持。為了向系統(tǒng)中引入可編程能力，我們考慮在系統(tǒng)中嵌入，由于fpga具有下列特點，使得它成為我們的首選：1.現(xiàn)在的fpga的處理能力和規(guī)律容量已經臨近于專用asic，功耗也比較低，能夠滿足我們系統(tǒng)設計的要求；2.因為fpga具有的可重編程能力，用法了fpga的嵌入式系統(tǒng)能夠滿足各種不同的應用要求；從嵌入式系統(tǒng)管理的角度來說，對網絡通信的支持也是很有須要的，也是很有特色的一個應用，由于它使得從遠端服務器下載新的應用程序并在本地運行成為可能。為實現(xiàn)對這個功能的支持，我們采納java作

3、為軟件平臺。由于java運行在java虛擬機之上，它能夠下載并執(zhí)行新的應用程序代碼，并且無需在下載后重新啟動系統(tǒng)。綜上所述，這個新的嵌入式系統(tǒng)是基于java的，有一個fpga和標準處理器相連。我們通過網絡下載java代碼和可以對fpga舉行編程的比特流。該系統(tǒng)也支持對fpga的動態(tài)重新配置。為了實現(xiàn)硬件（fpga）和軟件（java應用程序代碼）之間的通信，又定義了一組本地api，以使得從java應用層能夠拜訪到底層的硬件。為了調用這些本地api，采納了java本地接口（jni）。在本文中，將一些java函數(shù)（java method）用fpga可編程硬件來實現(xiàn)，稱之為硬件辦法（hw method

4、）。2. 系統(tǒng)設計實現(xiàn)一個java函數(shù)功能的對應的硬件辦法實現(xiàn)的規(guī)律結構圖1所示。輸入緩存和輸出緩存分離用來接收輸入?yún)?shù)和存儲輸出結果。控制緩存用于對硬件辦法的控制和檢測，比如向硬件辦法發(fā)出啟動命令，檢查其所處的狀態(tài)并推斷操作是否完成等。該模塊中的全部緩存都映射處處理器物理地址空間中，處理器可以用法正常的讀寫命令完成對這些緩存的拜訪。圖2是該嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺，由一個標準處理器，一個fpga和一個系統(tǒng)存儲單元構成。它們之間通過分享的系統(tǒng)銜接在一起。當處理器向一個硬件辦法發(fā)出讀寫操作命令時，該硬件辦法在其自己的地址的協(xié)助下向數(shù)據(jù)總線上發(fā)送對應的響應信號。在這里，我們可以認為是處理器發(fā)起的硬件/

5、軟件通信命令，而fpga則是作為一個從屬單元做出回應。由于在處理器發(fā)起初始命令后，就由可配置管理器來負責管理fpga編程。這樣一來，就實現(xiàn)了處理器和fpga的并行運行。3所示，我們挑選java作為軟件平臺，并且裝載了一個嵌入式操作系統(tǒng)為java實時應用程序提供基本的服務，比如線程和其它硬件管理等。通過系統(tǒng)管理器，可以從遠程服務器下載java應用程序。系統(tǒng)管理器主要實現(xiàn)了下面3種協(xié)議：1 應用程序代碼（包括可對fpga舉行編程的比特流）下載協(xié)議；2 用于遠程管理的系統(tǒng)維護相關的協(xié)議；3 控制對嵌入式系統(tǒng)拜訪權限的認證協(xié)議。系統(tǒng)管理器包括基于socket銜接的客戶端類加載器。遠端應用程序可以下載到

6、本地并根據(jù)下面的過程執(zhí)行：1. 完成認證過程，系統(tǒng)進入管理模式；2. 下載應用程序代碼，完成系統(tǒng)初始化，比如加載fpga可編程比特流到相應的存儲單元；3. 執(zhí)行新的應用程序。在該系統(tǒng)中，為了簡化起見，預先映射硬件辦法地址到確定的系統(tǒng)物理存儲區(qū)，目的是為了尋址操作的便利快捷。因為我們用法了java軟件平臺，應用程序就無法挺直拜訪底層的硬件。這就是說，運行在處理器java虛擬機上的應用程序不能挺直拜訪映射到fpga中硬件辦法的緩存區(qū)域。為解決這個問題，理論上可以采納下面兩種辦法：1. 修改java虛擬機，使其具有對處理器物理地址的挺直拜訪能力；2. 單獨設計一種java本地接口（jni），使得應用

7、程序通過該接口提供的功能實現(xiàn)對硬件辦法映射到的物理地址的拜訪。盡管第一種計劃的效率較高，并且沒有引入額外開銷，但是修改java虛擬機內核是相當繁雜的工作，同時也可能會引起潛在的系統(tǒng)不穩(wěn)定。其次種計劃雖然引入了一定的額外開銷，但便于移植和實現(xiàn)。因此，我們采納計劃二，在java虛擬機和java本地接口之外又設計了一個本地通信庫。本地通信庫api形式如下：int hwwritexxx(int addr, xxx p);int hwwritearrayxxx(int addr, xxx p);xxx hwreadxxx(int addr);xxx hwreadarrayxxx(int addr);in

8、t hwconfig(int cf_mem_addr, int bitstr_size);java本地接口層接口的形式如下：class hwinterfacestatic int configstatus;public static native int setparam(cid hw_cid, object p)if(type_of_p = xxx)err = hwwritexxx(hw_cid.addr, (xxx)p);return err;public static native int getresult(cid hw_cid, object r);public static nat

9、ive int setcmd(cid hw_cid, int cmd);public static native int getstatus(cid hw_cid);public synchronized static native int confighw( cid hw_cid);在上面代碼中，xxx表示基本的java數(shù)據(jù)類型如整型（integer）、浮點型(float)、雙精度型(double)等。java應用程序通過類hwinterface提供的辦法拜訪本地庫。上面的代碼中給出了setparam的詳細實現(xiàn)。其中，cid是包括硬件辦法映射到的緩存地址的一個對象，對應于每個硬件辦法的cid

10、都是唯一的，因此，該地址和緩存區(qū)大小都是事先已經確定了的。但是，因為系統(tǒng)中惟獨一個配置控制器，我們無法同時就兩個或多個硬件辦法向fpga舉行編程，也可以說同一時刻只能有一個硬件辦法在用法配置控制器。為此，引入了一個靜態(tài)變量configstatus來反映配置控制器的當前狀態(tài)。所以，拜訪配置控制器的函數(shù)confighw（）是靜態(tài)的同步的。用法上面給出的接口，則下面這段代碼methoda();int a = obja.m1(2); /sw methodint b = objb.m2(3); /hw methodint c = a + b;就應當寫成下面的形式：methoda();1 hwinterf

11、ace.confighw(cid2); / cid2 is the id of hw method m22 object p = new integer(3);3 hwinterface.setparam(cid2,p);4 hwinterface.starthw(cid2);5 int a = obja.m1(2);6 object r = new integer();7 while(hwinterface.getresult(cid2, r) = 0); /wait until hw method finished8 hwinterface.getresult(cid2, r);9 int

12、 b = (integer)r.getvalue();10 int c = a + b;在上例中，為了執(zhí)行fpga中的函數(shù)objb.m2()，首先對fpga舉行編程(line1)。然后，將參數(shù)拷貝到硬件辦法的輸入緩存中（line3），并對硬件辦法舉行初始化（line4）。最后，采納了一個循環(huán)函數(shù)持續(xù)檢查硬件辦法緩存的狀態(tài)（line7,8），直至計算完成，然后拷貝得到結果（line9）。3. 系統(tǒng)實現(xiàn)用法710t處理器和virtex的fpga，按照上文給出的設計計劃，我們實現(xiàn)了一個嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺。該平臺包括一個網絡接口，兩個調試接口，一個pci主機接口和一個串行口。并移植了一個嵌入式操作系統(tǒng)和一個小巧的j