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Java用于數(shù)字電視機(jī)頂盒研究與實(shí)現(xiàn)(1)
引言
隨著有線廣播電視網(wǎng)向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展，利用有線電視網(wǎng)絡(luò)作為傳輸平臺(tái)的數(shù)字電視機(jī)頂盒除了能夠讓用戶在現(xiàn)有模擬電視機(jī)上觀看數(shù)字電視節(jié)目之外，廣播和交互式多媒體應(yīng)用功能的要求也應(yīng)運(yùn)而生，互動(dòng)電視成為數(shù)字電視發(fā)展的方向。眾多程序員熟悉的為網(wǎng)絡(luò)廣泛運(yùn)用的Java語言能很好地滿足機(jī)頂盒一些服務(wù)應(yīng)用的要求，因此提出了包含Java虛擬機(jī)的數(shù)字電視機(jī)頂盒中間件的系統(tǒng)架構(gòu)，該虛擬機(jī)用來執(zhí)行Java應(yīng)用程序，并且中間件將應(yīng)用程序和底層操作系統(tǒng)、硬件細(xì)節(jié)隔離開，使上層的數(shù)字電視的服務(wù)應(yīng)用不必考慮過多的底層細(xì)節(jié)。本文主要介紹了J2ME中主要用于數(shù)字電視領(lǐng)域的CDC的移植，其中又著重介紹了本地方法(nativemethod)的實(shí)現(xiàn)過程。
結(jié)構(gòu)及工作原理
圖1 Java虛擬機(jī)的工作過程
Java虛擬機(jī)工作原理
Java虛擬機(jī)處于機(jī)器和編譯程序之間，在任何平臺(tái)上都提供給編譯程序一個(gè)共同的接口。Java源程序經(jīng)過編譯器編譯后變成字節(jié)碼，字節(jié)碼由虛擬機(jī)解釋執(zhí)行，虛擬機(jī)將每一條要執(zhí)行的字節(jié)碼送給解釋器，解釋器將其翻譯成特定機(jī)器上的機(jī)器碼，然后在特定的機(jī)器上運(yùn)行。
Java虛擬機(jī)的主要任務(wù)是裝載class文件并且執(zhí)行其中的字節(jié)碼。Java虛擬機(jī)包含一個(gè)類裝載器，它可以從程序和API中裝載class文件。字節(jié)碼由執(zhí)行引擎來執(zhí)行，具體過程如圖1所示。
Java虛擬機(jī)結(jié)構(gòu)
類裝載器的體系結(jié)構(gòu)是Java虛擬機(jī)在安全性和網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性上發(fā)揮重要作用的一個(gè)方面，圖中所示的類裝載器可以包含多個(gè)類裝載器的子系統(tǒng)，Java應(yīng)用程序能夠在運(yùn)行時(shí)決定需要安裝的類，并且將被不同的類裝載器裝載的類存放在不同的命名空間。
執(zhí)行引擎處于Java虛擬機(jī)的核心位置，它的行為由指令集所決定，其主要作用就是解釋字節(jié)碼(即運(yùn)行經(jīng)過編譯后的Java程序的class文件)，不同的執(zhí)行引擎實(shí)現(xiàn)可能非常不同。由軟件實(shí)現(xiàn)的虛擬機(jī)的執(zhí)行引擎分為一次性解釋字節(jié)碼、即時(shí)編譯器和自適應(yīng)優(yōu)化器，由硬件芯片構(gòu)成的虛擬機(jī)用本地方法執(zhí)行Java字節(jié)碼，它的執(zhí)行引擎是內(nèi)嵌在芯片里。
Java虛擬機(jī)相當(dāng)于一個(gè)堆棧計(jì)算機(jī)，它在指令間傳送信息時(shí)不使用任何物理寄存器，而使用堆棧的幀來表示方法的狀態(tài)、字節(jié)碼的操作對象、方法的參數(shù)空間及局部變量的空間，它的“程序計(jì)數(shù)器”為一個(gè)偽寄存器，是當(dāng)前所執(zhí)行指令的字節(jié)碼數(shù)組的一個(gè)指針。
Java實(shí)現(xiàn)方法
Java有兩種實(shí)現(xiàn)方法：Java方法和本地方法。Java方法是由Java語言編寫，編譯成字節(jié)碼，存儲(chǔ)在class文件中。本地方法是由其他語言(比如C，C++，或者匯編語言)編寫的，編譯成和處理器相關(guān)的機(jī)器代碼，保存在動(dòng)態(tài)連接庫中，格式是各個(gè)平臺(tái)專有的，它是聯(lián)系Java程序和底層主機(jī)操作系統(tǒng)的連接方法。Java方法與平臺(tái)無關(guān)，但是本地方法卻不是，運(yùn)行中的Java程序調(diào)用本地方法時(shí)，虛擬機(jī)裝載包含這個(gè)本地方法的動(dòng)態(tài)庫，并調(diào)用這個(gè)方法。通過本地方法，Java程序可以直接訪問底層操作系統(tǒng)的資源，使程序和特定的平臺(tái)相關(guān)，一個(gè)本地方法接口——Java本地接口(JNI)使得本地方法可以在特定的主機(jī)系統(tǒng)的任何一個(gè)Java平臺(tái)上運(yùn)行。
J2ME中的CDC移植的解決方案
我們選用的要移植的Java虛擬機(jī)是Sun公司提供的J2ME對于數(shù)字電視領(lǐng)域CDC配置，該虛擬機(jī)是針對Linux的軟件實(shí)現(xiàn)(用C語言編寫的虛擬機(jī)，該虛擬機(jī)也稱為CVirtualMachine，簡稱CVM)。Java虛擬機(jī)規(guī)范并沒有強(qiáng)求Java虛擬機(jī)必須支持任何特定的本地方法接口，但是Sun公司提供了本地方法接口(JavaNativeInterface)，是為移植所用。Java程序通過調(diào)用本地方法和主機(jī)交互。
Java虛擬機(jī)
圖2 Java虛擬機(jī)的位置
虛擬機(jī)處于嵌入式操作系統(tǒng)OS20上，因此Sun公司提供的Java虛擬機(jī)中與底層操作系統(tǒng)相關(guān)的操作都應(yīng)該替換為OS20的內(nèi)核函數(shù)。因此將Sun公司提供的CDC移植到OS20需要完成一些工作，比如：C語言中關(guān)于基本數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)位的修改，關(guān)于線程的創(chuàng)建機(jī)制(OS20為任務(wù))，關(guān)于線程之間的同步、互斥，關(guān)于動(dòng)態(tài)連接的實(shí)現(xiàn)，關(guān)于本地方法的實(shí)現(xiàn)等，本節(jié)主要介紹關(guān)于本地方法的實(shí)現(xiàn)過程。
本地方法
解釋器處理字節(jié)碼時(shí)，與給定字節(jié)碼有關(guān)的動(dòng)作的語義、執(zhí)行字節(jié)碼的相關(guān)動(dòng)作大多是從堆棧中獲得其操作數(shù)，并將其結(jié)果送回堆棧中。典型的情況下字節(jié)碼是帶有參數(shù)的，這些參數(shù)在字節(jié)碼流中緊跟在字節(jié)碼自身之后。
在虛擬機(jī)解釋字節(jié)碼過程中，執(zhí)行引擎會(huì)不時(shí)遇到請求本地方法調(diào)用的指令，虛擬機(jī)負(fù)責(zé)試著發(fā)起這個(gè)本地方法的調(diào)用。本地方法是Java虛擬機(jī)指令集的一種可編程擴(kuò)展，運(yùn)行這個(gè)本地方法就是Java虛擬機(jī)對這條指令的執(zhí)行。
本地方法函數(shù)調(diào)用
為了增加虛擬機(jī)的性能，加快其速度，解釋器在處理一些字節(jié)碼時(shí)調(diào)用的本地方法函數(shù)用匯編實(shí)現(xiàn)了將Java棧轉(zhuǎn)換為C棧，然后在C堆棧上實(shí)現(xiàn)函數(shù)的調(diào)用。Linux下是用獨(dú)立的匯編語言程序invokeNative_i386。S實(shí)現(xiàn)函數(shù)CVMjniInvokeNative()，我們采用在C里面嵌入?yún)R編的形式來實(shí)現(xiàn)該函數(shù)。
該函數(shù)的形參有7個(gè)，完成的主要功能是將由實(shí)參傳遞來的部分?jǐn)?shù)據(jù)通過直接或者運(yùn)算后得到本地方法的參數(shù)，然后壓入本地棧，通過匯編來實(shí)現(xiàn)本地的C函數(shù)調(diào)用。實(shí)參傳遞過來的7個(gè)數(shù)據(jù)包含JNI環(huán)境指針(env)、本地方法的函數(shù)指針(nativecode)、Java棧指針(args)、本地方法的描述符(tersesig)，Java棧的參數(shù)總數(shù)(argssize)表示靜態(tài)或非靜態(tài)方法的類對象標(biāo)志(classobject)及用于存儲(chǔ)返回值的一個(gè)指針變量(returnvalue)，其中env要作為第一個(gè)本地方法的參數(shù)傳遞，并且nativecode也要傳遞到本地方法來實(shí)現(xiàn)本地方法的正確調(diào)用。
J2ME中的CDC移植
由于Linux有多個(gè)通用寄存器，在實(shí)現(xiàn)該函數(shù)的代碼中充分運(yùn)用了如esp、ebp、esi等寄存器，但是OS20提供的可操作的寄存器只有3個(gè)通用寄存器Areg、Breg、Creg和1個(gè)工作指針寄存器Wptr(相當(dāng)于堆棧指針)，在實(shí)現(xiàn)過程中，我們用在C函數(shù)中設(shè)立局部變量來代替Linux的通用寄存器，通過手動(dòng)調(diào)整工作棧指針來實(shí)現(xiàn)本地方法的調(diào)用，具體實(shí)現(xiàn)過程如圖3所示。
當(dāng)進(jìn)入?yún)R編函數(shù)時(shí)，工作區(qū)指針為Wptr，實(shí)參、狀態(tài)寄存器和指令指針寄存器的值全部自動(dòng)入棧，然后是我們定義的代替Linux寄存器的局部變量自動(dòng)入棧，此時(shí)的Wptr自動(dòng)移到Wptr′，利用OS20的匯編指令，手動(dòng)將實(shí)參傳遞過來的參數(shù)通過計(jì)算得到本地方法參數(shù)的個(gè)數(shù)，然后將本地方法所需的參數(shù)依次壓棧，最后再手動(dòng)調(diào)節(jié)工作區(qū)指針實(shí)現(xiàn)本地方法的成功調(diào)用。這里我們先將本地方法函數(shù)指針和1個(gè)標(biāo)志位flag(0x10101010)入棧，原因有兩個(gè)：
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文章來源：中國有線電視
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