Java技術在嵌入式系統(tǒng)中的應用

1 Java概述

Java是在1991年由Sun公司James Gosling Patrick Naughton、Chis Warth、Ed Frank以及Mike Sherindan等組成的"STAR7"小組所構想出來的。于1995年5月正式推出。Java計算平臺包括JVM(Java虛擬機)和Java API(Java應用編程接口)。JVM是一種抽象化的計算機，運行在操作系統(tǒng)之上，可以在它上面執(zhí)行Java的字節(jié)線，使Java應用程序在現(xiàn)有的各種平臺上都可以順利執(zhí)行。Java API和Java的函數(shù)類庫，分為基本核心類庫和各種外加功能的擴展類庫。

1998年12月8日，Sun公司的最新一個版本的JDK(Java Software Development Kit)正式發(fā)布，Sun的升級版本，而且還是完善的Java平臺。

Java 2定義組成Java企業(yè)平臺的核心技術包括15個核心API。這15個核心API構成了整個Java 2技術的靈魂，包括Applet、AWT、Beans、IO、Lang、Math、Net、Rmi、Security、SQL、Text、Util、 Accessibility、Swing和CORBA。與以往的JDK比較，Java 2平臺具有很多優(yōu)勢，如更靈活的安全模式、更好的性能、與其他企業(yè)級系統(tǒng)的互用性、應用開發(fā)更容易、全球化的提高以及更好的跨平臺性等。

Java 2可以根據(jù)對軟、硬件需求的不同分為4個版本。J2EE(Java 2 Platform，Enterprise Edition)用于企業(yè)服務器端應用程序開發(fā);J2SE(Java 2 Platform，Standard Edition)用于個人計算機上的應用程序開發(fā);J2ME(Java 2 Platform，Micro Edition)用于信息家電等資源有限的設備上的應用程序開發(fā);Java Card Platform用于智能卡上的應用程序開 發(fā)。

Java 程序語言在其產生之初，本身就是為嵌入式設備--機頂盒設備設計的?，F(xiàn)在Java又憑借J2MEE和Java Card Platform回到嵌入式系統(tǒng)開發(fā)領域。

2 Java卡

(1)Java卡簡介

Java卡是Java平臺中最小的子集，也是一種特殊的智能卡。智能卡是一種嵌入計算機芯片的卡片，廣泛應用于通信、交通、金融、證券和保險等領域。智能卡分為兩大類：一類是存儲器卡，另一類是微處理器卡。存儲器卡僅僅被用于存儲器數(shù)據(jù)。微處理器卡有數(shù)據(jù)處理的功能：它有自己的CPU、I/O端口、存儲器和操作系統(tǒng)，可以被看作是一臺微型電腦;可以安裝并運行小的應用程序，通過串行通信接口與外部通信。ISO(國際標準組織)制定了智能卡的國際標準ISO 7816。

影響智能卡推廣的主要因素是其不夠開放，不同的卡片制造商生產的卡片的應用程序開發(fā)沒有統(tǒng)一的標準。為了解決這個問題，工業(yè)界提出了能運行 Java程序的智能卡--Java卡，并且制定了Java卡的技術規(guī)范，包括Java Card VM(Java卡虛擬機)和API的詳細信息。Java Card VM位于智能卡的操作系統(tǒng)之一，用通用的編程語言和系統(tǒng)接口屏蔽了不同智能卡硬件和操作系統(tǒng)的區(qū)別。Java卡的框架定義了供應用程序開發(fā)者使用的 API。Java卡的應用程序稱為Applet，每個Applet由唯一的AID(應用程序標識符)來識別。

(2)Java卡對硬件的最低要求

512 B RAM：主要用于存儲應用程序運行時的棧以及I/O緩沖區(qū)。

24 KB ROM：主要用于存儲程序代碼和系統(tǒng)的運行時系統(tǒng)。

8 KB EEPROM：主要用于存儲Java卡的Applet和堆。

8位處理器：8位處理器是Java卡的最低要求。

(3)Java卡軟件體系結構

Java卡軟件體系結構如圖1所示。

最底層的Card OS(操作系統(tǒng))和Native Functions(基本函數(shù))相不于個人計算機的操作系統(tǒng)，負責低層的處理工作。

Java Card VM位于Card OS和Native Functions之上，隱蔽了底層智能卡的不同技術，實現(xiàn)了卡接口的統(tǒng)一和編程語言的統(tǒng)一。

Java Card Framework(Java卡框架)為開發(fā)人員定義了一整套API，主要負責運行Java卡Applet以及為Applet運行提供所需要的環(huán)境。

Card OS、Java Card VM和Java Card Framework共同組成了JCRE(Java卡運行時環(huán)境)。Industry Specific Extensions是服務方所提供的類，使企業(yè)與公司能夠提供屬于自己的服務程序。例如，如果這張卡是GSM網絡的SIM(用戶識別模塊)卡，那么這一層就是SIM卡所需的接口類。

(4)Java Card API

Java Card的2.1版包括四個包：Javacard.lang package、Javacard.frame work package、Javacard.security package和Javacardx.cryp to package。

Javacard.lang package提供Java程序語言中重要的類，例如所有Java類的根類Object類。

Javacard.frame work package是Java Card API的核心包，提供了實現(xiàn)Java Card Applet基本類和工具。其中ISO7816抽象接口提供了ISO7816所使用的常數(shù)值。PIN(個人識別號碼)抽象接口使其子類能夠驗證PIN是否合法。Shareable抽象接口使得不同的Applet能夠互相通信。AID類使得JCRE能夠通過一個AID表來識別Applet。APDU類通過管理一個緩沖區(qū)來接收與傳送終端的指令以及回傳Applet運行結果與狀態(tài)。Applet類是所有Java Card Applet的根類，管理Java Card Applet的生命周期。JCSystem類管理Applet與Java Card的系統(tǒng)資源，如AID與事務。OwnerPIN類管理卡片持有者的PIN，并提供相關驗證與更新等方法。Util類提供了開發(fā)中的常用工具。

Javacard.security package負責提供安全機制，包括Key抽象接口、KeyBuilde類和MessageDisest類。

Javacardx.cryp to package包含了關于加密與安全的抽象接口和類。

(5)Java卡應用的開發(fā)

Java卡的生命周期從操作系統(tǒng)、JVM、API庫和可選的Applet被寫入Java卡的ROM開始。在正式使用之前，Java卡要經過初始化(在卡上寫入制造商和發(fā)行商名稱等通用信息)和個人化(在卡上寫入密鑰等個人信息)。然后用戶就可以購買并使用Java卡了，當然還要與讀卡器相配合。 Applet的生命周期從被安裝并注冊到Java卡系統(tǒng)開始，在被從系統(tǒng)注冊表中刪除時結束，在被選擇時激活。[!--empirenews.page--]

Java卡的應用程序可以用一般的Java編譯器來編譯。但是由于智能卡只有有限的存儲器資源和計算功能，Java卡上的應用開發(fā)與普通的 Java程序開發(fā)有很大的不同，很多Java語言的特性在Java卡應用的開發(fā)中都不能使用。Java卡的應用開發(fā)(在Windows系統(tǒng)下)過程如下：

①安裝JDK和Java Card 2.1.1 Development Kit;

②設置有關環(huán)境變量;

③編輯Java源代碼，可以使用任何Java代碼編輯工具;

④編譯Java源代碼，用Java編譯器編譯Java源代碼，生成class文件;

⑤生成Cap文件，在Java卡上不能直接運行class文件，必須用Java卡轉換器(converter)、把class文件轉換為Cap文件;

⑥安裝Applet,用PC機和與之相連的讀卡器把Cap文件安裝到Java卡上。

圖2為Java卡應用開發(fā)過程示意圖。

(6)Java卡在移動通信領域的應用

SIM(用戶識別模塊)作為一張內含大規(guī)模集成電路的智能卡，目前主要用于GSM手機。最初SIM卡主要用來存儲一些個人身份認證和識別信息，例如IMSI、鑒權密鑰等。SIM卡不能向手機發(fā)出命令。1998年ETSI(歐洲電信標準化委員會)制定了STK卡(SIM應用工具箱技術)的技術規(guī)范，大大增強了SIM卡的能力。STK卡上可以安裝運行應用程序，可以向手機發(fā)出命令，例如在手機上建立新的菜單。SIM卡還可以收發(fā)短消息甚至發(fā)起呼叫。這樣就可以在SIM卡上運行客戶端的軟件，通過短消息與服務器交互，同時通過菜單為用戶提供友好的界面。

盡管STK對SIM卡的使用方法進行了標準化，但是各個制造商仍舊使用自己的開發(fā)工具為自選的芯片掩膜，因此引入開放的SIM卡開放平臺成為必要。ETSI已在其協(xié)議中增加了有關Java Card的內容。GSM SIM卡采用Java Card API在保證安全的同時提供開放的SIM開發(fā)，使得STK應用在不同制造商的SIM卡上運行。在開發(fā)過程中，軟件開發(fā)商可采用開放的開發(fā)工具，開發(fā)出與 Java兼容的SIM卡應用程序。

ETSI的協(xié)議GSM 03.19是STK Java卡的技術標準，規(guī)定了STK Java卡的體系結構。最底層是JCRE和GSM文件系統(tǒng)。之上是GSM框架，提供了一些供Applet接入GSM文件系統(tǒng)的API。在GSM框架之上是 SIM Toolkit框架，負責Applet的觸發(fā)、注冊、安裝和卸載，主動式命令的處理，Applet的安全性管理。

3 J2ME

(1)J2ME簡介

J2ME是Sun公司為資源有限的設備上使用Java編程語言而設計的，使用在各種各樣的消費電子產品上，例如智能卡、手機、PDA、電視機頂盒等。J2ME平臺是建立在Java編程語言上的，可為資源有限的設備提供最大的功能。

J2ME目前有兩種配置層。一種是"面向連接的設備配置"CDC(Connected Device Configuration)，它采用典型的Java虛擬機技術。這種全功能的虛擬機包含了基于臺式機系統(tǒng)上的虛擬機的所有功能，適用于擁有至少幾兆字節(jié)內存的設備。它的目標是高檔的消費類電子產品和嵌入式設備，例如智能通信器、高級"智能"尋呼機、智能個人數(shù)字助理(PDA)以及交互式數(shù)字電視機頂盒。對于無線設備和其它內存不足的設備，J2ME采用"面向連接的受限的設備配置"CLDC(Connected Limited Device Configuration)技術。

(2)J2ME對硬件的最低要求

CDC與CLDC對硬件平臺有不同的要求：

CDC-32位的微處理器，大于2MB的存儲器。

CLDC-16位或32位處理器，大于128KB的存儲器。

(3)J2ME軟件體系結構

圖3所示為J2ME軟件體系結構。

Java Virtual Machine Layer(Java虛擬機層)是Java虛擬機的一個實現(xiàn)，它是為特定設備的主機操作系統(tǒng)定制的，而且支持一個特定的J2ME配備。CDC配置的JVM是CVM(C虛擬機)，CLDC配置的JVM是KVM(K虛擬機)。

Configuration Layer(配置層)定義了Java 虛擬機功能和特定類別設備上可用的Java類庫的最小集。從某種程序上說，一個配置定義了Java平臺功能部件和庫的共同性，開發(fā)者可以假設這些功能部件和庫在屬于某一特定類別的所有設備上都是可用的。

Profile Layer(框架層)定義了特定系列設備上可用的應用程序編程接口的最小集。框架在一個特定的配置上面實現(xiàn)，在配置層上增加適用特定規(guī)格的配置文件，如 MIDP就是用于移動終端的配置文件。應用程序是針對特定的框架編寫的，因此可以移植到支持該框架的任何設備上，一個設備可以支持多個框架。

(4)J2ME API

CDC提供支持全兼容Java 2虛擬機所必需的最小API集。這一API集包括所有為CDC定義的API和針對文件I/O、網絡連接、高級完全性、對象序列等API。其中 Java.io支持系統(tǒng)輸入與輸出，Java lang Java提供編程語言基本類，Java.lang.ref包括了一些特別參考類，Java.lang.reflect提供對反映的支持，Java.math支持數(shù)學運算，Java.net提供用于網絡連接的類和工具，Java.security提供完全支持，Java.security.cert提供證書支持，Java.text提供文本處理類，Java.util包括集合、日期和時間支持等各種實用工具類，Java.util.jar提供Jar文件支持，Java.util.zip提供Zip文件支持，支持Javax.microedition類屬連接。

由于MIDP/CLDC API將在一個性能有限的設備上運行，因此Java的一些功能被取消或修改。Java.lang、Java.io、Java.util包是J2SE包中標準類的一個子集。Javax.microedition.io包提供了對網絡連接的支持，Javax.microedition.io包中的主要對象是 Connector類?？蓪⒃擃悘娭妻D換為不同的連接類型，例如HttpConnection。Javax.microedition.lcdui提供了用于定義midlet用戶接口的類。Javax.microedition.rms包用來在設備上實現(xiàn)一個臨時存儲數(shù)據(jù)庫，當然該數(shù)據(jù)庫的存儲和獲取信息的性能受到設備的限制。Javax.microedition.midlet中包含有MIDlet的類。MIDlet類執(zhí)行midlet的生命周期，并且提供getAppProperty(key)方法來由應用屬性中獲取信息。應用屬性設置在jad(Java應用程序描述器)文件中。

(5)Java卡在移動通信領域的應用

CLDC和MIDP為創(chuàng)建移動電話應用程序提供了完整的環(huán)境。MID框架的核心是一個MIDlet應用程序，所有應用程序MIDlet都繼承 MIMlet類，以允許應用程序管理軟件對MIDlet進行控制、從應用程序描述符檢索屬性以及對狀態(tài)變化進行通知和請示。MIDlet類提供了用于調用、暫停、重新啟動和終止MIDlet應用程序的API。應用程序管理軟件可以在運行時環(huán)境內管理多個MIDlet的活動。此外，MIDlet可以自己發(fā)起一些狀態(tài)變化，并把這些變化通知給應用程序管理軟件。[!--empirenews.page--]

移動電話J2ME MIDP應用程序包括用戶界面開發(fā)、數(shù)據(jù)庫程序開發(fā)和網絡程序開發(fā)。

Javax.microedition.lcdui包中包括了用于用戶界面開發(fā)的各種類。用戶界面的根類是Display，所有的用戶界面類都是在Display里顯示出來的Displayable對象，Display對象是其它對象演示的舞臺，應用程序道德需要獲得Display對象的引用，然后就可以把場景對象放入演示舞臺中。MIDP提供了Screen和Canvas兩種演示場景。Screen的子類包括Alert、Form、List和 TextBox。Javax.microedition.lcdui中定義了Command類來接收用戶的輸入信息，又在Display類中定義了 Screen對象與Command對象組合的方法，使得應用程序能夠響應用戶的輸入。

在Screen場景中可以使用的對象包括Alert(信息窗口)、Form(窗體)、List(選項列表)和TextBox(文本框)。其中 Form可以放置Item類,包括TextFiled(文本字段)、StringItem(字符串項目)、ImageItem(圖像項目)、 DataField(日期字段)、ChoiceGroup(選項集合)和Gauge(標尺)。TextBox使應用程序能夠在屏幕上顯示文本框;Alert類似于消息框，可以為用戶提供一些信息;List類以列表的形式提供選項使用戶選擇;Form是一個容器對象，可以放置包括文本字段、字符串項目、圖像項目、日期字段、選項集合和標尺等在內的Item對象。

Canvas是Displayable中用來給開發(fā)者創(chuàng)建整個用戶接口的，用于創(chuàng)建復雜的用戶界面，例如視頻游戲中使用的界面。用戶在Canvas對象上的繪畫與Applet中的AWT Canvas類似。

Javax.microedition.rms定義了在設備上實現(xiàn)一個臨時存儲數(shù)據(jù)庫程序開發(fā)的類。其中采用由字節(jié)數(shù)組RMS(記錄管理系統(tǒng))機制，使用稱為RecordStore(記錄存儲區(qū))的小型數(shù)據(jù)庫。每個記錄存儲區(qū)對象是Javax.microedition.rms類的一個實例。記錄存儲區(qū)是由字節(jié)數(shù)組組成的記錄構成的。RecordStore提供了用于用戶操作記錄和管理存儲區(qū)的方法，對記錄的操作包括增加、刪除、更新和查詢。

Javax.microedition.io為應用程序開發(fā)者提供GCF(通用聯(lián)機框架)，用于網絡編程。網絡編程的根類是 Connecter，通過Connecter提供了HTTP、SOCKET、Datagram(數(shù)據(jù)報)和Serial Port(串行口)等網絡通信方式，其中HTTP為設備的必選項。

(6)J2ME MIDP應用程序的開發(fā)過程

Sun公司最近推出的工具包J2ME WTK(Java 2 Micro Edition Wireless Toolkit)簡化了MIDlet的開發(fā)，為MIDlet開發(fā)提供了一個全面的工具包。應用程序的開發(fā)過程如下：

①安裝J2SE或者Java Runtime Enviroment。

②安裝J2ME WTK。

③配置仿真器。

④編輯Java源文件，可以使用任何Java代碼編輯工具。

⑤編譯Java源代碼，用Java編譯器編譯Java源代碼，生成Class文件。除了編譯以外，編譯器還會檢查源文件中有沒有使用CLDC和MIDP以外的類和屬性及方法。

⑥驗證字節(jié)碼。

⑦封裝成MIDlet Suite，把經過驗證的Class文件及應用程序中將用到的資源文件封裝成JAR文件，這一步會生成JAD文件和mainfest文件。

⑧測試，然后下載到目標機上運行。

結語

Java本來就是為嵌入式設備而設計的，但昌隨著因特網的興起，Java在臺式機和服務器端的應用開發(fā)中取得了巨大的成功。Java在應用中充分展示其通用性與完全性等優(yōu)勢，而這在嵌入式設備的應用開發(fā)中是至關重要的，這使得Java重返嵌入式應用開發(fā)領域成為必然。STK Java卡和J2ME的成功應用昭示著Java在嵌入式系統(tǒng)應用開發(fā)中的美好前景。