關(guān)鍵詞： dsp , java , RTSJ , 音頻

在傳統(tǒng)的信息技術(shù)領(lǐng)域，Java已成為首選的編程語(yǔ)言，因?yàn)樗芴岣唛_發(fā)者的生產(chǎn)率、軟件復(fù)用率和可靠性，降低軟件維護(hù)成本，并提供更靈活、更通用的軟件結(jié)構(gòu)。

如今，在低級(jí)、硬件、實(shí)時(shí)軟件領(lǐng)域已有各種各樣的Java方案。但是，當(dāng)在像數(shù)字音頻信號(hào)處理這樣非常低級(jí)的軟件中應(yīng)用Java技術(shù)時(shí)，某些方案將更能發(fā)揮傳統(tǒng)Java技術(shù)的優(yōu)越性。

其中一種方法基于針對(duì)資源受限和安全關(guān)鍵的Java定義的推薦規(guī)范。設(shè)計(jì)該方案的主要目的是保持Java的可移植性、可維護(hù)性和可擴(kuò)展性優(yōu)勢(shì)。在系統(tǒng)內(nèi)的信息流中包括兩臺(tái)計(jì)算機(jī)，這兩臺(tái)計(jì)算機(jī)協(xié)同操作以便通過網(wǎng)絡(luò)通訊通道交換音頻信息(圖1)。

在一個(gè)節(jié)點(diǎn)上采集到的音頻信號(hào)被傳輸至其它節(jié)點(diǎn)，并被輸出至遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的揚(yáng)聲器。在第二個(gè)節(jié)點(diǎn)上采集到的音頻信號(hào)則在第一臺(tái)計(jì)算機(jī)的揚(yáng)聲器中輸出。從概念上講，信息流被構(gòu)造成兩個(gè)獨(dú)立的數(shù)字音頻數(shù)據(jù)流。

這種簡(jiǎn)單的音頻處理應(yīng)用可以被當(dāng)作PERC Pico應(yīng)用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。該軟件目前正在開發(fā)中，它首次實(shí)現(xiàn)了針對(duì)安全關(guān)鍵和資源受限應(yīng)用所提出的實(shí)時(shí)Java(RTSJ)規(guī)范概要分析。“硬實(shí)時(shí)概要分析(hard real-time profile)”即指這種環(huán)境。

                圖1：一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字音頻應(yīng)用構(gòu)成了本文討論的關(guān)鍵性軟件工程的基礎(chǔ)

1  維護(hù)和可擴(kuò)展性要求

摩爾定律推動(dòng)了典型嵌入式應(yīng)用的規(guī)模和復(fù)雜度快速增長(zhǎng)。競(jìng)爭(zhēng)壓力促使軟件不斷發(fā)展，以滿足功能越來(lái)越強(qiáng)大的硬件的需求。對(duì)某些消費(fèi)電子設(shè)備的研究發(fā)現(xiàn)，新產(chǎn)品中代碼規(guī)模的增長(zhǎng)速度非常接近摩爾定律，大約每18至36個(gè)月就翻一番。

大約20年前，每個(gè)新的嵌入式設(shè)備中的所有軟件通常是由一個(gè)或兩個(gè)工程師在不到一年的時(shí)間內(nèi)寫完。而現(xiàn)代嵌入式軟件的開發(fā)則非常困難。假設(shè)每次新產(chǎn)品的軟件修訂都要求增加數(shù)十萬(wàn)，甚至數(shù)百萬(wàn)行的代碼，那么嵌入式軟件開發(fā)人員的職責(zé)將更多地轉(zhuǎn)向如何解決集成許多獨(dú)立開發(fā)的軟件組件所帶來(lái)的挑戰(zhàn)。

這個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字音頻例子代表了一種原型的低級(jí)嵌入式軟件“產(chǎn)品”。對(duì)大多數(shù)產(chǎn)品而言，開發(fā)原始軟件的成本要比整個(gè)產(chǎn)品生命周期內(nèi)的軟件維護(hù)成本小得多。以下列出了該應(yīng)用在產(chǎn)品生命周期內(nèi)的發(fā)展過程。

(1)軟件將需要被移植到不同的操作系統(tǒng)和不同的處理平臺(tái)上，這將改變它的CPU時(shí)間和內(nèi)存需求。

(2)軟件將與各種不同的補(bǔ)充功能集成在一起。也許下一代產(chǎn)品也將包括視頻信號(hào)。也許它將支持共享數(shù)字白板，以便于召開遠(yuǎn)程會(huì)議，或者可能與電子郵件和日歷軟件集成在一起。或者，一些應(yīng)用可能增加錄制功能，以將會(huì)議實(shí)況保存在磁盤中。

(3)雙節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇赡苄枰M(jìn)行通用化，以支持有任意多參加者的會(huì)議。

(4)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的接口可以不斷發(fā)展。在一些配置中，操作系統(tǒng)提供了這種服務(wù)。而在其它配置中，這種應(yīng)用可能包括連接音頻子系統(tǒng)硬件和DMA內(nèi)存設(shè)備的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接口。音頻硬件本身有望繼續(xù)發(fā)展，這要求軟件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序不斷發(fā)展。

(5)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議可能需要作一些改變。在某些環(huán)境中，軟件將依賴底層操作系統(tǒng)服務(wù)來(lái)與網(wǎng)絡(luò)連接。隨著各種網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的發(fā)展，連接操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的接口甚至也可能發(fā)生變化，以便提供新的QoS參數(shù)和更高帶寬。在其它情況下，這種應(yīng)用將需要包含面向硬件接口的低級(jí)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，也可能需要實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議棧。可以采用帶沖突檢測(cè)的載波偵聽多路訪問(CSMA/CD)技術(shù)、無(wú)線、光纖和其它有待發(fā)明的技術(shù)，在低成本專用串行通道、同軸電纜和雙絞線數(shù)據(jù)鏈接中實(shí)現(xiàn)相同的基礎(chǔ)通信能力。通信庫(kù)可能集成了壓縮、加密、檢錯(cuò)和糾錯(cuò)，以及滑動(dòng)窗口協(xié)議。

上面給出了軟件在商業(yè)化業(yè)務(wù)應(yīng)用中的幾種可能發(fā)展方式，這里并非想窮舉所有的優(yōu)勢(shì)，只是為了說明保留Java設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)的好處，即使是對(duì)于一些資源受限和硬實(shí)時(shí)應(yīng)用來(lái)說。

圖2：硬實(shí)時(shí)JAVA翻譯環(huán)境顯示了各種工具之間的關(guān)系，這些工具可使實(shí)時(shí)組件的開發(fā)、維護(hù)和集成更容易

2 實(shí)時(shí)JAVA的能力

這些實(shí)時(shí)Java編程技術(shù)由RTSJ衍生發(fā)展而來(lái)。該規(guī)范具有很好通用性，能支持多種獨(dú)特的實(shí)時(shí)編程要求。由于本文主要關(guān)注非常低級(jí)的實(shí)時(shí)軟件，所以我們將開發(fā)人員的操作限定在完整RTSJ規(guī)范的子集范疇內(nèi)。

這種概要分析可改善可移植性、可靠性和效率，因?yàn)樗故褂靡恍┬枰艽蟮倪\(yùn)行時(shí)間開銷、會(huì)帶來(lái)不可移植的實(shí)現(xiàn)依賴性、增加軟件復(fù)雜度以致使程序員更容易出錯(cuò)的功能。硬實(shí)時(shí)概要分析和完整RTSJ之間一些特殊差異包括：

(1)完整的RTSJ對(duì)同步鎖采用優(yōu)先級(jí)繼承方法，并支持優(yōu)先級(jí)限高仿真可選。硬實(shí)時(shí)概要分析禁止使用優(yōu)先級(jí)繼承并要求支持優(yōu)先級(jí)限高仿真。

(2)完整的RTSJ允許即時(shí)修改各種線程調(diào)度和對(duì)象同步參數(shù)。硬實(shí)時(shí)概要分析禁止對(duì)線程調(diào)度和同步協(xié)議進(jìn)行即時(shí)調(diào)整。

(3)完整的RTSJ還支持一些機(jī)制，這樣每當(dāng)任務(wù)錯(cuò)過最終期限或超出其CPU時(shí)限時(shí)，就可以自動(dòng)觸發(fā)異步事件。請(qǐng)注意，這些服務(wù)的實(shí)現(xiàn)是完全不可移植的，而精確執(zhí)行會(huì)帶來(lái)極高的運(yùn)行時(shí)間開銷。此外，在硬實(shí)時(shí)應(yīng)用中不需要運(yùn)行時(shí)間限制，因?yàn)樵诔绦驁?zhí)行之前，已經(jīng)靜態(tài)地滿足資源預(yù)算和最終期限要求。因此，硬實(shí)時(shí)概要分析不支持這些機(jī)制。

(4)完整的RTSJ支持傳統(tǒng)線程、訪問垃圾收集堆的實(shí)時(shí)線程，以及不訪問垃圾收集堆的實(shí)時(shí)線程的混合體。這種不同線程類型的混合大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和規(guī)模。這種復(fù)雜度將增加由于不同線程類型之間不能正確共享信息而導(dǎo)致的實(shí)時(shí)編程出錯(cuò)的可能性，硬實(shí)時(shí)概要分析僅支持不訪問垃圾收集堆的實(shí)時(shí)線程。

(5)完整的RTSJ提供一系列可供應(yīng)用程序員使用的庫(kù)，以便舉例說明動(dòng)態(tài)內(nèi)存范圍，并在特定范圍內(nèi)分配對(duì)象。由于程序員在開發(fā)或集成采用嵌套作用域(nested scope)的組件時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生許多小錯(cuò)誤，所以這些庫(kù)的使用尤其成問題。為執(zhí)行正確的區(qū)域性存儲(chǔ)器(scoped-memory)使用協(xié)議，RTSJ在每次讀取和/或重寫參考字段時(shí)都執(zhí)行特殊的運(yùn)行時(shí)檢查。在完整的RTSJ中，運(yùn)行時(shí)進(jìn)行檢查會(huì)使程序組件出錯(cuò)，從而使得程序由于非法分配、非法讀取、區(qū)域性存儲(chǔ)器協(xié)議錯(cuò)誤、內(nèi)存不足錯(cuò)誤等原因，以運(yùn)行時(shí)間異常方式終止執(zhí)行。硬實(shí)時(shí)概要分析禁止使用RTSJ內(nèi)存作用域(memory scope)操作庫(kù)。相反，它要求程序員以編程注釋的形式描述其對(duì)作用域內(nèi)存(scoped-memory)的使用。在編譯期間，這些注釋可以被分析和執(zhí)行，例如本文應(yīng)用提到的@Scoped和@StaticAnalyzable注釋。

(6)RTSJ不會(huì)為了中斷處理或低級(jí)設(shè)備的I/O而對(duì)庫(kù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，而硬實(shí)時(shí)概要分析對(duì)這些庫(kù)進(jìn)行定義。

硬實(shí)時(shí)概要分析的商用化前實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)顯示，它運(yùn)行在某些CPU密集型基準(zhǔn)程序的速度比標(biāo)準(zhǔn)Java和完整RTSJ的速度快三倍。這是因?yàn)橛矊?shí)時(shí)執(zhí)行環(huán)境比標(biāo)準(zhǔn)RTSJ簡(jiǎn)單得多，并且它還用編譯時(shí)間驗(yàn)證替代各種運(yùn)行時(shí)檢查。這種性能可以與相應(yīng)的C和C++程序相媲美，有時(shí)甚至更好。

盡管采用受限的硬實(shí)時(shí)概要分析比采用傳統(tǒng)Java更加困難，但這種平臺(tái)的代碼開發(fā)和維護(hù)要比用C或C++開發(fā)出的相應(yīng)平臺(tái)的維護(hù)容易。這是因?yàn)橛矊?shí)時(shí)Java平臺(tái)具有更好的可移植性，并提供高級(jí)的面向?qū)ο蟮某橄蟆４送猓矊?shí)時(shí)Java平臺(tái)包括可使實(shí)時(shí)組件的開發(fā)、維護(hù)和集成更為容易的一些重要開發(fā)工具(圖2)。

由于包含了強(qiáng)制嚴(yán)格遵守類型安全的字節(jié)碼校驗(yàn)器，與C和C++相比，Java開發(fā)可提高可靠性和可維護(hù)性。C和C++程序員可以利用多種讓使類型安全無(wú)效的機(jī)制，而有意或無(wú)意地利用這些漏洞將使代碼更容易產(chǎn)生錯(cuò)誤，并降低可移植性。

受限的實(shí)時(shí)環(huán)境提供了比傳統(tǒng)Java更嚴(yán)格的字節(jié)碼驗(yàn)證。特別是，圖2中的硬實(shí)時(shí)驗(yàn)證器可確保指向堆棧分配對(duì)象的參數(shù)(指針)不會(huì)比對(duì)象本身的生存期更長(zhǎng)。它也確保用專用@StaticAnalyzable注釋標(biāo)記的程序組件，可限制它們對(duì)可分析子集使用Java。與硬實(shí)時(shí)翻譯器的集成，則能提供確定執(zhí)行每個(gè)組件所需的CPU時(shí)間和堆棧內(nèi)存上限的能力。

執(zhí)行硬實(shí)時(shí)組件所需的所有臨時(shí)內(nèi)存分配，必須由正在執(zhí)行線程的運(yùn)行時(shí)棧來(lái)實(shí)現(xiàn)。執(zhí)行從單主線程開始，而主線程的運(yùn)行時(shí)棧代表了所有可重復(fù)使用的內(nèi)存。對(duì)于由主線程派生的每個(gè)附加線程，它提供了部分運(yùn)行時(shí)棧作為派生線程的運(yùn)行時(shí)棧。