MixedMode Programmiersprache Java

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Objektorientierte Programmierung, Teil 1
Grundlegendes zur Programmiersprache Realtime Java
10.09.2010 | Autor: Stefan Kuntschar*
Viele Softwareprojekte der Embedded-Systeme werden in C geschrieben.
Einzig C++ konnte sich teilweise gegen C durchsetzen. Im ersten Teil
unserer Serie zur objektorientierten Programmiersprache Java stellen wir
Ihnen die Grundlagen vor.
Gerade für mobile
Anwendungen eignet sich
Das Thema „Realtime Java“ ist sehr umfangreich. Deshalb
wird eine Untergliederung in mehrere Artikel
vorgenommen. Der Erste gibt eine Einführung in das
Thema Java und zeigt die ersten Schritte der Sprache in
Richtung Embedded Systems auf. Der zweite Teil befasst
sich mit der Erweiterung der Java Spezifikation „The Real
Time Specification for Java“ (RTSJ) und den Vorteilen
gegenüber den unterschiedlichen Standard Java Editionen.
In einem weiteren Teil zeigen wir Ihnen kommerzielle und
Open Source „Realtime Java Virtual Machines“ und deren
Unterschiede.
Realtime Java besonders gut
Die Programmiersprache Java ist in vielen Bereichen
bereits fest etabliert. Von riesigen
Client-Server-Anwendungen und Datenbankapplikationen über Desktopprogramme
bis in den Bereich der mobilen Geräte, wie Handys und PDAs, ist Java auf Grund
seiner geschätzten Vorteile nicht mehr wegzudenken. Hierbei sind vor allem die
Objektorientierung, Einfachheit der Sprache, Sicherheit (Speichermanagement),
Portabilität und die einfache Implementierung von Multithreadingapplikationen
erwähnenswert. Eine der wenigen Bastionen, in denen sich Java bisher noch nicht
richtig durchsetzen konnte, ist der Bereich Embedded Systems. Dort werden
Voraussetzungen benötigt, die Java mit dem Standard Konzept teilweise bewusst
nicht erfüllen kann:
Zugriff auf physikalischen Speicher und Register
Zeitauflösungen im Nanosekundenbereich
Deterministische Ausführungszeiten
Präzises, vorhersagbares Scheduling
Harte Echtzeitfähigkeit
Dabei wurde Java ab 1992 für ein Embedded System entwickelt. Es
handelte sich hierbei um ein kabelloses PDA namens „*7“. Die
Grundlage des Gerätes war ein auf einer SPARC-Architektur
basierender Prozessor mit einem stark eingeschränkten
Betriebssystem ohne Echtzeitfähigkeit. Der „*7“ wurde im Laufe
seiner Entwicklung eingestellt, während Java weiterentwickelt und
1995 veröffentlicht wurde. Seitdem erlebt Java ein gigantisches Wachstum und eine
fast beispiellose Erfolgsgeschichte. Inzwischen muss die Programmiersprache bereits
in mehrere Pakete („Editions“) unterteilt werden, damit der Überblick gewahrt
werden kann.
Die J2EE („Enterprise Edition“) bietet maximalen Umfang und wird vor allem im
kommerziellen, industriellen Sektor bei großen Applikationen mit mehreren
Servern und Datenbanken verwendet.
Die J2SE („Standard Edition“) beinhaltet alle Klassen und Pakete, die zur
Programmierung von Standard Applikationen für Desktop PCs benötigt werden,
einschließlich grafischer Bibliotheken.
J2ME („Micro Edition“) wurde für den Markt der kleinen, mobilen Geräte
geschaffen.
Bis vor einiger Zeit bot allein die J2ME auf Grund ihres gegenüber der J2SE stark
eingeschränkten Umfangs der Schnittstellen für die Applikation („Application
Interface“, API) und des damit verbundenen kleinen Speicherverbrauchs („Memory
Footprint“) die Möglichkeit, Software für Mikroprozessoren zu implementieren. Der
Fokus dieser abgespeckten Version lag dabei auf mobilen, vernetzten Endgeräten
wie Handys und PDAs. Andere wichtige und weit verbreitete Arbeitsbereiche wie zum
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Beispiel die Automatisierungs- und Steuertechnik blieben außen vor.
Java Version für Mikrokontroller
Da die J2ME die erste Java Version für Mikrokontroller ist, soll sie hier näher
beleuchtet werden. Die J2ME definiert drei Softwareschichten. Die „Java Virtual
Machine“ (JVM) ist die ausführende Schicht und interpretiert den Programmcode. Die
VM ist einer der Vorteile der Programmiersprache Java. Sie sorgt für die Portabilität
der Applikationen.
Nicht die Java Programme müssen auf unterschiedliche Plattformen angepasst
werden, sondern eine VM muss für die Plattform nach Spezifikation entwickelt
werden. Danach kann jedes in Java geschriebene Programm auf der VM laufen. Eine
VM braucht immer ein darunterliegendes OS, dessen API für Threads und andere
betriebssystemabhängige Implementierungen genutzt wird. Die VM der J2ME
erweitert nicht die Standard VM, sondern schränkt deren API sogar weiter ein (kein
Floating Point Support).
Spezifikation von zwei Konfigurationen
Die zweite Schicht ist die Konfiguration („Configuration“). Sie definiert den
minimalen Umfang an Funktionalität der JVM und der Java Klassenbibliotheken, die
für ein bestimmtes Gerät zur Verfügung stehen. Die dritte Schicht ist das Profil
(„Profile“). Es definiert den minimalen Umfang an APIs, die in der gewählten
Konfiguration auf dem Gerät verwendet werden dürfen. Applikationen werden für ein
bestimmtes Profil geschrieben. Eine Konfiguration kann mehrere Profile
unterstützen.
Die J2ME spezifiziert zwei Konfigurationen. Die „Connected Limited Device
Configuration” (CLDC) ist für Systeme mit mindestens 192 kByte Speicher und
einem 16- oder 32-Bit-Prozessor ausgelegt. Diese Konfiguration wurde speziell für
Mobiltelefone entwickelt und erfreut sich in dieser Sparte großer Beliebtheit („Java
Handys“).
Sie ist die am meisten abgespeckte verfügbare Java Konfiguration. Um den
niedrigen Speicherverbrauch zu erreichen, werden nicht nur die zur Verfügung
stehenden APIs limitiert, sondern auch der Umfang der VM eingeschränkt. Als VM
kommt die „K Virtual Machine (KVM)“ zum Einsatz. Die Einschränkungen beinhalten
unter anderem den Verzicht auf asynchrones „Exception Handling“ und das „Java
Native Interface“ (JNI) zur direkten Einbindung von C-Code.
Des Weiteren fehlt die Unterstützung des „Floating Point“ Formates sowie des
Datentyps long, der optional implementiert sein kann. Alle Einschränkungen sind in
der aktuellen Spezifikationsversion der CLDC aufgelistet. Des Weiteren enthält die
implementierte API nur einen Auszug aus den Funktionen der J2SE. Auch der
Compilierungsprozess wurde auf Systeme mit eingeschränkten Ressourcen
angepasst.
Die CLDC unterstützt „JavaCodeCompact“. Dabei werden die Java Klassen in
C-Dateien umgewandelt. Anschließend wird der C-Code kompiliert und direkt mit der
KVM verlinkt. Am Ende des Prozesses erhält der Entwickler das fertige Binary.
Dadurch entfällt das dynamische Linken und Übersetzen von Java Klassen, welches
viele VMs zur Laufzeit nutzen. Die Applikation wird auf geringen Speicherverbrauch
optimiert, da nur benötigte Klassen gelinkt werden, und die Ausführzeit
beschleunigt, da das dynamische Linken entfällt.
Die drei Profile des CDCs
Für die CLDC ist ein Profil spezifiziert: Das „Mobile Information Device Profile“
(MIDP). Es bietet ein Benutzerinterface für LCDs, einen Media Player und eine Spiele
API. Die zweite spezifizierte Konfiguration ist die „Connected Device Configuration“
(CDC). Sie benötigt mindestens 2 MByte Speicher und einen 32-Bit-Prozessor. Die
CDC ist für Systeme mit Netzwerkkommunikation definiert worden. Diese
Konfiguration enthält keine Einschränkungen der JVM. Die genutzte VM heißt CVM
und benötigt ein Betriebssystem als Basis. Hierdurch kann Tasking und Scheduling
angeboten werden. Da auch in dieser Konfiguration „JavaCodeCompact“ unterstützt
wird, ist die sofortige Generierung eines Binaries möglich. CDC definiert drei Profile:
„Foundation Profile“: Dieses Profil bietet Java APIs für Systeme mit
eingeschränkten Ressourcen ohne Unterstützung graphischer
Benutzeroberflächen („Graphical User Interface“, GUI). Die grundlegenden
Klassenbibliotheken der J2SE wie zum Beispiel java.lang und java.net sind
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enthalten und werden um ein Vernetzungs-Framework erweitert, das Interface
javax.microedition.io.
„Personal Basis Profile“: Dieses Profil bietet Java APIs für Systeme mit
eingeschränkten Ressourcen und grundlegende GUI Unterstützung. Hierfür
werden Teile des Abstract Windows Toolkit (AWT) unterstützt.
„Personal Profile“: Dieses Profil unterstützt die komplette AWT Bibliothek sowie
des Applet Interface.
Die J2ME mit all ihren Konfigurationen und Profilen wurde über den „Java
Community Process“ (JCP) entwickelt. JCP ist weder ein offener Standard noch Teil
des Open-Source-Konzeptes. Die Community besteht aus mehreren großen Firmen
und wenigen Einzelpersonen. Sie entscheiden über zukünftige Erweiterungen und
deren Umsetzungen. Dieser Umstand macht die Weiterentwicklung von Java wenig
flexibel für neue Ideen und Bedürfnisse außerhalb der Community.
Die Nachteile der J2ME
Die J2ME hat bei genauerer Betrachtung auch mehrere Nachteile. Obwohl die
Bezeichnung J2ME nahelegt, das Java Version 2 genutzt wird, sind die meisten
Technologien der Edition nach dem JDK 1.1 entwickelt worden.
Des Weiteren ist der ROM Verbrauch sehr hoch. Die CLDC JAR Datei hat eine Größe
von 450 KByte und benötigt noch zusätzlich ein Betriebssystem. Und selbst in dieser
Edition für Mikrokontroller sind keine direkten Hardwarezugriffe erlaubt. Es wurde
Zeit für eine Innovation, um Java für den Markt der Embedded Systems tauglich zu
machen.
*Stefan Kuntschar ist als Softwareentwickler beim Spezialisten für Systems
Engineering, Project Resources und Consulting Mixed Mode GmbH tätig. Er besitzt
umfangreiche Erfahrung in der Konzeption und Implementierung von Systemen mit
harten Echtzeitanforderungen.
Redakteur: Hendrik Härter
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