引 言

現(xiàn)在Java技術十分流行，發(fā)展勢頭強勁，而且在SUN公司推出了J2ME平臺后，眾多移動式系統(tǒng)都紛紛支持Java應用程序。由于Java已經成為了業(yè)界公認的通用網(wǎng)絡語言，具有超強的跨平臺性，所以Java這種Write once，Run anywhere的特性被目前幾乎所有的手機系統(tǒng)開發(fā)商所承認并運用。無一例外，當今的智能手機操作系統(tǒng)都支持KJava技術。為了保證手機操作系統(tǒng)支持運行Java程序，需要將Java虛擬機移植到手機操作系統(tǒng)上。由于手機這種移動式信息設備都采用小容量的Flash和RAM，所以就要求虛擬機體積更小，實時效率更高，故這種Java虛擬機被稱為KVM(K Virtual Machine)。

由于J2ME是以消費性產品為目標而設計的Java運行環(huán)境，專門針對移動電話、數(shù)字機頂盒和汽車導航系統(tǒng)，因而影響力巨大。本文將研究在MTK手機操作系統(tǒng)上實現(xiàn)嵌入式Java。整個J2ME運行平臺包括Java應用的下載、安裝、運行及觸摸屏支持等一系列功能。

1 相關技術研究

1．1 J2ME平臺

現(xiàn)在的Java系統(tǒng)是一個全方位的開發(fā)、運行平臺，可以在任何計算環(huán)境中實現(xiàn)。在嵌入式系統(tǒng)，SUN公司推出了J2 ME(Java 2 platform. Micro Edition)。

J2ME是Java 2標準版本的微型版本，支持各種各樣的消費類產品和嵌入式設備，如移動電話、PDA、互聯(lián)網(wǎng)可視電話、數(shù)字機頂盒、車載娛樂和導航系統(tǒng)、網(wǎng)絡交換設備以及信息家電等。J2ME是為了那些使用有限的能源、有限的網(wǎng)絡連接(通常是無線連接)以及有限圖形用戶界面能力的設備開發(fā)的。

J2ME體系結構如圖1所示。其中簡表層、配置層和Java虛擬機是J2ME的組成部分。J2ME是一個簡化的Java，是針對各種不同的低端設備而設計的。為了滿足各種環(huán)境，J2ME設計了簡表一配置規(guī)范。配置是一個語言特性和核心類的配置規(guī)范，針對不同的環(huán)境(內存、顯示、網(wǎng)絡連接和處理能力) 給定不同的配置。也就是定義了該環(huán)境的Java語言子集和核心類庫，虛擬機開發(fā)者遵照此配置來開發(fā)虛擬機。最著名的兩個配置是連接設備配置(CDC)和連接有限設備配置(CLDC)。

CLDC包括K虛擬機(KVM)和一組核心類庫，主要是針對用戶接口簡單、內存較小、網(wǎng)絡運行時連時斷以及帶寬較窄的小型無線設備。其中KVM是JVM的一個實現(xiàn)，特別用于移動電話、PDA等設備。

簡表是針對相同配置的不同特性而開發(fā)的擴展類庫，它提供給開發(fā)者在特定類型設備上開發(fā)的類庫。例如，移動信息設備子集MIDP(Mobile Information Device Pro—file)綜合考慮了移動設備的屏幕和內存限制，定義了J2ME適用的硬件和軟件框架，并提供了這個框架要實現(xiàn)的基本功能及標準接口；應用開發(fā)者可以基于這個框架開發(fā)出各種應用。MIDP 2．0定義了一系列軟件接口，包括基本輸入輸出、圖形用戶接口、網(wǎng)絡、事件機制、文件系統(tǒng)、應用管理系統(tǒng)、游戲接口、聲音輸出接口和安全機制。

由于CLDC的設備資源受到限制，所以SUN公司專門開發(fā)了一個新的虛擬機KVM。Sun公司于2000年公布了KVM的參考實現(xiàn)，采用解釋執(zhí)行字節(jié)碼的Java虛擬機。與編譯執(zhí)行相比，解釋執(zhí)行的Java虛擬機在移動通信設備上具有顯著的優(yōu)點：虛擬機占用移動通信設備非易失性存儲空間比較小；虛擬機運行時占用RAM空間比較??；解釋執(zhí)行核心代碼量??；字節(jié)碼占用RAM空間比較?。粚崿F(xiàn)難度低，可移植性好。現(xiàn)有的具有KVM支持的移動通信設備大多是基于該參考實現(xiàn)的。

1．2 MTK系統(tǒng)

MTK方案是臺灣聯(lián)發(fā)科技公司提供的手機解決方案。近70％的國產手機采用MTK的芯片和平臺。有資料顯示，2007年MTK手機芯片出貨量高達 1．5億片，全球市場占有率近14％，僅次于德州儀器及高通公司。若只計算MTK進入全球GSM手機芯片的市場規(guī)模，大約省7億～8億部手機，市場占有率已高達20％以上，排名僅次于德州儀器公司。

在目前MTK市場上，MTK6225平臺占據(jù)主導地位。該系統(tǒng)的主要功能如下：

①任務管理。系統(tǒng)任務采用靜態(tài)創(chuàng)建方式，靜態(tài)配置任務優(yōu)先級、棧大小、任務全局唯一ID等；不提供動態(tài)創(chuàng)建Task的方式；任務內部以及任務之間的通信通過內部事件隊列和外部事件隊列完成。

②內存管理。平臺不提供動態(tài)分配內存的方式；應用程序需要使用動態(tài)分配內存時，可以采用以下幾種方式：與系統(tǒng)其他模塊共享內存，典型的是使用MED 模塊的內存；定義一個靜態(tài)數(shù)組，交給系統(tǒng)adm托管，然后調用kal_adm_alloc、kal_adm_free等內存操作函數(shù)實現(xiàn)動態(tài)內存分配；定義一個靜態(tài)數(shù)組，應用自己實現(xiàn)基于此數(shù)組的分配和管理，也就是實現(xiàn)自己的內存管理模塊。

③事件機制。平臺事件機制采用“注冊一回調”機制，把需要處理的各個按鍵、觸摸屏等通過系統(tǒng)函數(shù)注冊，當有事件發(fā)生時系統(tǒng)調用所注冊的*者。

④UI。系統(tǒng)MMI層提供了豐富的UI元素，如各種消息框、列表、圖標等。

⑤系統(tǒng)局限性。MTK6225平臺只有一種中文字體，字體大小固定。

2 平臺設計

2．1 平臺功能分析

在MTK平臺上實現(xiàn)J2ME運行環(huán)境，需要實現(xiàn)的功能如下：

①應用程序管理。Java擁有豐富的應用程序，平臺需要管理這些應用程序，因此要實現(xiàn)應用程序管理系統(tǒng)。應用程序管理系統(tǒng)功能包括程序的安裝、刪除、運行、下載等。

②虛擬機的實現(xiàn)平臺。嵌入式Java虛擬機的實現(xiàn)平臺有多種方式。它可以直接嵌入到裸機上，也可以加載于其他嵌入式操作系統(tǒng)之上，成為一臺抽象的計算機。它的平臺無關性給它帶來了巨大的發(fā)展前景。經過研究，在MTK平臺上，采用SUN公司公布的KVM作為核心，結合虛擬機所需要實現(xiàn)的功能和MTK平臺，設計和實現(xiàn)移植接口，最后在MTK平臺上運行KVM，在KVM之上運行Java應用程序。

2．2 平臺框架設計

系統(tǒng)平臺由應用程序管理系統(tǒng)(ApplicationManagement System，AMS)、KVM核心(KVM core)、KVM移植接口層、MTK系統(tǒng)平臺構成。平臺框圖如圖2所示。

移植接口層包含以下部分：

①文件系統(tǒng)部分，對文件操作，實現(xiàn)創(chuàng)建、打開、關閉、讀、寫等功能。KVM在運行的時候需要通過這部分接口使用本地文件，如打開jar、jad文件等。

②網(wǎng)絡部分，提供Socket訪問功能。

③外部事件，獲取用戶輸入，包括按鍵輸入和觸摸屏輸入。

④圖形顯示部分，負責KVM圖形及文字顯示。

⑤系統(tǒng)時間部分，提供給KVM精確的系統(tǒng)時間。

⑥輸入法，Java程序運行時可能要求用戶輸入，此接口實現(xiàn)調用系統(tǒng)輸入法功能。

⑦其他接口，內存訪問、交互性事件通知以及擴充的JSR實現(xiàn)所需要的接口，如JSRl20、JSRl35等。

2．3 應用程序管理系統(tǒng)設計

應用程序管理系統(tǒng)管理整個Java運行環(huán)境，實現(xiàn)如下功能：

①顯示應用程序列表，展示給用戶當前手機系統(tǒng)的所有可用的應用程序。

②應用管理功能選擇菜單，菜單應包括兩種類型，分別是程序已經安裝好的菜單項和程序還未下載，只有jad文件在本地，需要向服務器請求下載應用安裝后才能運行的菜單項。

③下載應用，與服務器通信下載用戶選擇的應用。用戶啟動Java應用流程如圖4所示。

根據(jù)UI和engine的劃分，可以把應用程序管理系統(tǒng)分為應用程序管理界面和應用管理系統(tǒng)核心：應用程序管理界面提供給用戶交互式界面，包括管理系統(tǒng)主界面、程序下載界面、程序運行界面、管理功能菜單以及各級子界面；應用管理系統(tǒng)核心由實現(xiàn)功能的一系列API組成，提供給上層界面調用，實現(xiàn)程序的下載、安裝、刪除、運行等功能。

3 平臺的實現(xiàn)

3．1 Java虛擬機移植的實現(xiàn)

在實現(xiàn)內存管理模塊時，由于平臺不提供動態(tài)分配內存方式，而虛擬機需要一塊比較大的內存，不能從MED模塊分配，且根據(jù)需要會對內存進行壓縮整理，不適合采用系統(tǒng)托管方式。所以，采用虛擬機自己管理內存的方式，實現(xiàn)內存管理模塊。

KVM就像一個軟處理器一樣控制解釋Java字節(jié)碼和它的執(zhí)行狀況，每一個創(chuàng)建的Java線程在Java堆中都會有各自的線程執(zhí)行棧，并且由KVM 運行來調度管理。為了使KVM能盡量正確地劃分時間片，需要給一個時間標準作為KVM的內部時鐘，由時間接口實現(xiàn)。系統(tǒng)提供void kal_get_time(kal_uint32*tieks_ptr)函數(shù)，可精確到1個ticks(4．615 ms)。

系統(tǒng)只提供一種大小字體，而Java應用需要使用3種大小字體?？梢圆捎靡韵路绞綄崿F(xiàn)：

①設計實現(xiàn)虛擬機自身的文字模塊，采用3種大小的ASCII和GB2312字體點陣字庫，從中提取文字點陣信息，由虛擬機圖形顯示模塊顯示。

②只提供一種大小的字體，這樣應用會受限制。由于系統(tǒng)平臺可用內存小，文字點陣字庫相對比較大，不適合在這個平臺使用，因此選擇采用第2種方式。如今在移動多媒體領域，Java應用大多要求聯(lián)網(wǎng)，所以實現(xiàn)網(wǎng)絡通信，即要實現(xiàn)TCP／IP，支持套接字，是KVM一個非常重要的功能。系統(tǒng) “soc_api．h”文件中定義了套接字接口API，使用此接口實現(xiàn)虛擬機網(wǎng)絡方面移植非常方便。

Java應用要求支持多媒體音頻和事件處理，提供用戶最好的交互功能。在多媒體音頻方面，MTK系統(tǒng)提供了非常全面的支持——支持MID、MP3等格式的音頻播放。根據(jù)Java應用的需求，一些基于MIDP2．O擴展包的實現(xiàn)成為必要。本系統(tǒng)實現(xiàn)了JSRl20的短信功能以及JSRl35的部分功能。

3．2 應用程序管理系統(tǒng)的實現(xiàn)

實現(xiàn)了應用程序管理核心API，包括對jar、jad文件的安裝、刪除、信息獲取等等。系統(tǒng)MMI層提供了豐富的UI元素，因此比較容易地實現(xiàn)了應用程序管理界面。實現(xiàn)了應用下載模塊，與服務器通信下載應用。由于平臺未提供HTTP協(xié)議的實現(xiàn)，因此在基于所設計的虛擬機Socket接口之上，實現(xiàn)了 HTTP協(xié)議，連接服務器下載用戶選擇的相關應用。

結 語

J2ME運行平臺在MTK系統(tǒng)上的設計和實現(xiàn)，充分考慮了系統(tǒng)空間的局限性和運行效率這兩大要素，以及Java運行時與系統(tǒng)的交互事件處理問題，實現(xiàn)了在MTK平臺上下載、安裝、運行Java應用一體化平臺，并在MIP2.0基礎上擴充實現(xiàn)了JSR120、JSR135部分功能。該平臺已經在多款 MTK6225平臺手機上運行。