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后端研究-一种Java处理器的体系结构设计与研究.pdf
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一种 Jav a 处理 器 的体 系结 构 设 计 与研 究
Ai e h ite e tu re d e sig n o f a re a l一tim e Ja v a P ro c e sso r
叶新 栋
导 师 :
唐 志 强 高 级 实 验 师
指 导 小 组 成 员 :
涂 时亮
陈 章 龙
唐 志 强
教 授
教 授
高级 实 验 师
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目 录
目 录
摘 要 ....................................................................................................……,................……,.............…… 1
A b s tra c t .................................................................................................................................................… … 2
第 1 章 绪 论 ...............................................……,.................................................................................…… 1
1.1 研 究 背 景 与 意 义 ......................................……‘.......................................................................……1
1.2 研 究 目标 ................................................................................................................................……2
1.3 本 文 结 构 安 排 .........................................................................................................................……3
第 2 章 Jav a 虚 拟 机 简 析 二,.................................................................……,..................................……4
2 .1 d ass 文 件 规 范 .....................................................……,............................................................……4
2.2 Java 虚 拟 机 规 范 ..............……,...............................................................................................……8
2.3 Java 栈 ..……,............................................................................................................................……9
2.4 Java 指 令 综 述 ........................……,........................................................................................…… n
第 3 章 Class 文 件 转 换 器 .…,.…‘....................................................................……,.....……,.................……13
3 1 d ass 文 件 加 载 ......................................................……,...............................……,...................…… 13
3 .2 运 行 时 数 据 布 局 ..................................................……,..........................................................…… 16
3 .2 .1 运 行 时 常 量 池 ....……,..……,......……,.............................……_.....................................…… 17
3 .2.2 字 段 操 作 .............................................................……。...............................................…… 19
3 ,2.3 运 行 时 方 法 区 ........……,....……、…… ,.,.……,.,,....……,.…,,…,.,...............................……2 2
3‘2.4 实例 展示 ..…卜................................................……,.................……,.....……,..................……23
3 .3 本 章 小 结 ........................................................……,二,..........…… ,. ..............……,.,.…,..……,25
第 4 章 JP O R 体 系 结 构 设 计 ........................……,........................……,.........................................……,..…26
4 .1 指 令 C ache .................……,..................................................................................................……2 7
4.2 指 令 缓 存 区 ..........................................................................................................................……28
4.3 微 指 令 R O M ........................................................................................................................……29
4.4 执 行 级 与 访 存 级 ..................................................................................................................……31
4.5 性 能 分 析 ..............................................................................................................................……3 4
4 ,5.1 复 杂 指 令 ...................................................................................................................……34
4 ‘5.2 指 令 执 行 时 间 .......................................................……,............................……,..........……35
第 5 章 垃 圾 回 收 库 .……,...........................................................................................................……,.……36
5 .1 he ap 的分 布 结 构 ...................................................................................................................……3 7
5 .2 he aP 初 始 化 ...........................................................................................................................……38
5 .3 标 记 活 跃 对 象 .....................................................................................................……、...……,……3 9
5.4 回收垃 圾 对 象 .................................................……,.......................……,...............……、..........……41
5.5 整 理 内存 碎 片 ............……,........................……,,.............................……,........……,................……42
5 .6 本 章 小 结 ..............................................................................................................................……43
第 6 章 结 论 与展 望 ..................................................................................................................……,..……4 4
附 录 1:JPo r32 指 令集 ................................................................................……,............................……45
附 录 2: Jpor3 2 寄 存 器 ...................................................................................................................……50
附 录 3 : 可 执 行 文 件 的 内容 .............................................……,......................................................……51
参 考 文 献 .............................................................................................................................................……5 8
致 谢 ..........................……,.................................……,....................................................................……61
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摘 要
摘
任石
3 丈
随着 普 适 计 算 和 移 动 计 算 的 发 展 , 嵌 入 式 系 统 得 到 越 来 越 广 泛 的应 用 。各 种 嵌 入
式 设 备 的不 断 涌 现 ,对 系 统 的 可 移 植 性 和 开 发 效 率 提 出 了更 高 的 要 求 。 与 传 统 的 开 发
语 言 C/ c + + 相 比 ,java 语 合一由于 其 具 有 可 移 植 性 ,安 全 性 能 高 以及 简 单 易 学 等 一 系 列
优 势 ,得 到 了越 来 越 广 泛 的应 用 。
然 而 由于 java 语 言 固有 的解 析 执 行 的特 点 ,其 执 行 效 率 也 限制 了其 在 实 时领 域 的
应 用 。 即使 目前 java 虚 拟 机 都 引入 了 即 时 编 译 技 术 (JIT ),然 而 该 技 术 是 以消 耗 更 多
的 内存 为代 价 的 。在 嵌 入 式 系 统 内存 稀 缺 的状 况 下 ,该 技术 实 际 给 系统 带 来 的好 处 也
是值 得 商 榷 的 。 同时 java 程序 需 要在 实 际执 行 前 ,完 成 class 文 件 加 载 和 解 析 等 一 些
列 操作 ,也在 一 定程度 上 限制 了系 统 的执 行 效 率 。因此 如 何 设 计 一 种 能够 提 高 jav a 程
序 运 行 效 率 的方 案 ,成 为 现 在 研 究 的 热 点 和 难 点 。
实 时 java 平 台主要 由执 行 引擎 和 支 持 实 时性 的软 件 环 境组 成 。执 行 引擎 有 多种 实
现 方 式 ,包 括 基 于 软 件 的解 析 执 行 ; 即 时 编 译 ; java 硬 件 加 速 器 以及 jav a 处 理 器 等 。
根 据 国 家 自然 科 学 基 金 项 目 一 高 可 靠 实 时 系 统 的 计 算 平 台 (s OP c) 研 究 ( 基 全 号 :
60703 106)【1] 。 本 研 究 小 组 设 计 并 实 现 了 一 种 Java 处 理 器 引 擎 一 一 Jpor32(J av a
p roeessor O ptim ized for RT SJ)。 该实 时 java 平 台主 要 包 括 : elass 文 件 转 换 器 ; Jav a 处
理 器 的 实现 以及 相 关类 库 的 实现 。
在 本 文 中 ,将 详 细 论 述 如 何 将 不 适 合 在 硬 件 平 台直 接 执 行 的 d ass 文 件 转 换 为 一 种
适 合 在 硬 件 环 境 下 执 行 的文 件 。 同 时基 于 该 种 可 执 行 文 件 的 结 构 ,设 计 出 一 种 高 效 的
硬 件 执 行 引擎 来 代 替 传 统 的 iav a 虚 拟 机 的 执 行 ,己达 到 加 速 jav a 执 行 的 目的 。同 时 还
详 细 描 述 了基 于 该平 台 的垃 圾 收 集 库 的 具 体 实现 。
关 键 词 : java ; 虚 拟 机 ; 处 理 器 ; 转 换 器
中 图分 类 号 : TP3 16.2
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A b st阳 C t
A b stra e t
W ith th e d e v e lo P m e n t o f P e r v a s iv e e o m P u tin g a n d m o b ile e o m P u tin g ,e m b e d d ed
s y ste m d e v e lo P m e n t a n d a P P lie a tio n re e e iv e m u e h e o n e e rn . C o m P a re d w ith tra d itio n a l
P ro g ra m m in g la n g u a g e ,su e h a s C a n d C + + . J a v a b e e o m e m o re a n d m o re P o P u lar in th is
file d w ith its se v e ra l a d v a n ta g e s,su e h a s P la tf orm in d e P en d e n t,sa f ety a n d e a s y to le a rn .
S inee jav a virtual m aehin e using in terpret m eeh anism to execute all the byte cod e.A nd this
w ill g reatly d ec re a se th e effi eie n c y o f o rig in a l P ro g ram ex ec u tio n e o m P a red w ith C/ C + + .
JIT G ust in tim e) eom Pile beeom e a eom m on im Plem entation in m ost Java v irtual m achine
in o rd e r to im P ro v e th e e x e e u tio n e f fi e ie n e y . B u t th is te e h n o lo g y w ill c o n s u m e m o re
m e m o ry e o m P a re d w ith sim P le in te rP re te r, a n d th is im P le m en ta tio n 15 still n e e d farth e r
e o n sid era tio n .
A re a l一tim e P la tfo rm e o n sists o f e x e e u tin g e n g in e a n d re al一tim e so f tw a re e n v iro n m e n t
w h ie h in c lu d e s lib ra ry a n d o P e ra tin g s y ste m . E x e c u tin g e n g in e a s th e m o s t im P o rta n t P a rt
ean b e im P lem en ted in d iffe ren t w ay s. S u ch as In terpreter, JIT, Jav a h ard w are aeeelerato r
and Java processor. B ased on th e N ational Seience Found ation Project一 H ighly C redible
C om Putation P latform (S oP C ) researeh for real一tim e system (eode :
60703 106) 11]. O ur research team choose Java Proeesser as the exeeuting engine du e to its
e f fi e ie n e y , th e w h o le s y ste m in e lu d e c la ss file e o n v e rtef , J av a P ro c e sso r a re h ite e tu re a n d
k e y lib ra ry ·
T h is P a P e r first P re s e n ts h o w to e o n v e rt th e c la ss file s to an e X e e u tin g im a g e a n d th e
d e ta ils a b o u t th e P ro e e ss a re h ite c tu re m a in ly fo e u se d o n th e P IP e lin e d e sig n a n d a lso th e
re a liz a tio n o f g a rb a g e c o lle c tio n o n th is P la tfo r m w ill b e d ise u sse d .
Ke yw ord s:java;virtu al m achine:Proeessor:eonverter
C h in e se L ib r a r y c la ssif ie a tio n : T P 3 1 6 .2
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第 1 章 绪 沦
第 1 章 绪 论
1.1 研 究 背 景 与意 义
在 网络 以及 嵌 入 式 领 域 ,Jav a 的应 用 正 在 变 得 越 来 越 广 泛 。Jav a 在 继 承 了 面 向 对
象特 性 的 同 时 ,还 拥 有 其 他 语 言所 不 具 有 的 一 系 列特 性 , 如 多线 程 机 制 、垃 圾 回 收 机
制 以及 异 常 处 理 机 制 等 。因此 ,Jav a 拥 有 极 高 的安 全 性 和 健 壮 性 ,这 也 促 使 了 Java 在
嵌 入 式 领 域 的广 泛 应 用 。由于 考 虑 到 Jav a 与 平 台 的 无 关 性 ,Jav a 文 件 的 加 载 以及 字 节
码 的执 行 工 作 往 往 是 有 Jav a 虚 拟 机 来 具 体执 行 。
如 今 Java 作 为 主 流 语 言 之 一 ,受 到 开 发 社 区和 各 大 服 务商 的 支 持 ,是 因 为 它 的 设
计 初 衷 就 包 含 了 以下 优 点 :
面 向对 象 的语 言 ,语 法 简 单 易 学 ,程 序 结 构 清 晰 ;
具 有 跨 平 台性 ,程 序 被 编 译 成 中 间文 件 格 式 (Cl ass 文 件 ), 由 Java 虚 拟 机
解 释 执 行 ,大 大 增 加 了可 移 植 性 ;
语 言 级 支 持 并 发 处 理 和 线 程 的创 建 ,方 便 程 序 员 处 理 并 发 事 件 ;
强类 型 语 言 ,类 型 错 误 在 编 译 期 间 就 能检 测 出来 ;
省 去 了指 针 操 作 和 内存 管 理 , 使 得 开 发 人 员 可 以把 更 多 的精 力 放 在 逻 辑 设 计 上 ;
大 多 数 Java 虚 拟 机 目前 采 用 interPreter 的 方 式 来 执 行 Java 字 节 码 。 所 谓 的
interpreter 实 际上 是 一 个 大 型 的 循 环 ,它 一 直 不 停 的从 相 应 的地 址 获 取 字 节 码 ,并 以机
器 的母 语 (native langu age ) 来 解 释 每 一 次 所 获 取 的 字 节 码 。Interpreter 方 式 虽 然 拥 有
简 单 、易 执 行 以及 对 内存 需 求 量 少 等 优 点 ,然 而 这 种 方 式 却 极 大 的 降 低 了 Jav a 程 序 的
执 行 速 率 。事 实 上 ,如 果 采 用这 种 方 式 实现 的 Java 虚 拟 机来 执 行 Fib on acciseries 运 算 ,
它 将 会 比通 过 C + + 实 现 的程 序 慢 18 到 23 倍 不 等 。 因此 ,在 嵌 入 式 实 时应 用 领 域 ,如
何 提 高 Jav a 字 节 码 的 执 行 速 度 成 为 目前研 究 的 重 点 和 难 点 。
为 了解 决 Java 虚 拟 机 执行 效 率 不 高 的缺 陷 , 目前 在 Java 虚 拟 机 的 设 计 中广 泛 的
引入 了 即使 即 时编 译 技 术 (JIT )。简 单 而 言 , 即 时 编 译 技术 把 Jav a 字 节 码 转 换 成 对 应
的本 地 指 令 并 且 对 该 指 令 进 行 缓 存 以避 免 重 复 的对 同一 指 令 多 次 解 释 。 即 时 编 译 技 术
的 引入 在 一 定程 度 上 加 速 了 Jav a 字 节 码 的执 行 速 度 ,然 而 该 技 术 的 引入 是 以消 耗 更 多
的 内存 为代 价 的 ,在 嵌 入 式 平 台 资源 稀 缺 的前 提 下 ,这 种 方 法 是 否 能最 终 能 提 高 系 统
的整 体 效 率 还 很 值 得 商 榷 【2】。提 前 编 译 技 术 是 一 种 在 运 行 前 提 前 编 译 成 本 地 可 执 行 代
码 的策 略 ,它 一 方 面 消 除 了动 态 装 载 解 析 类 的 过 程 ,使 得 运 行 效 率 大 大 提 高 ,另 一 方
面 ,却 失 去 了 Java 语 一言本 身 的跨 平 台和 安 全 等 特 性 。另一 种 方 法 是 首 先 编 译 成 中 间语
言 代 码 , 比如 C 语 言 ,这 增 加 了额 外 的编 译 器 的 开 销 。
通 过 软 件 来 模 拟 执 行 Java 字 节 码 的 方 式 往 往 性 能达 不 到 嵌 入 式 实 时 系 统 的 应 用
标准 。例 如 ,在 Ul tras pA R C 平 台平 均 需要 消耗 35 条 指 令 来 实 际完 成 一 条 通 过 InterPreter
方 式 执 行 Jav a 字 节 码 , 需 要 消 耗 20 条 指 令 来 实 际 完 成 一 条 通 过 JIT 方 式 执 行 的 字 节
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