關鍵詞： dsp , java , RTSJ , 音頻

在傳統的信息技術領域，Java已成為首選的編程語言，因為它能提高開發者的生產率、軟件復用率和可靠性，降低軟件維護成本，并提供更靈活、更通用的軟件結構。

如今，在低級、硬件、實時軟件領域已有各種各樣的Java方案。但是，當在像數字音頻信號處理這樣非常低級的軟件中應用Java技術時，某些方案將更能發揮傳統Java技術的優越性。

其中一種方法基于針對資源受限和安全關鍵的Java定義的推薦規范。設計該方案的主要目的是保持Java的可移植性、可維護性和可擴展性優勢。在系統內的信息流中包括兩臺計算機，這兩臺計算機協同操作以便通過網絡通訊通道交換音頻信息(圖1)。

在一個節點上采集到的音頻信號被傳輸至其它節點，并被輸出至遠程計算機的揚聲器。在第二個節點上采集到的音頻信號則在第一臺計算機的揚聲器中輸出。從概念上講，信息流被構造成兩個獨立的數字音頻數據流。

這種簡單的音頻處理應用可以被當作PERC Pico應用程序來實現。該軟件目前正在開發中，它首次實現了針對安全關鍵和資源受限應用所提出的實時Java(RTSJ)規范概要分析。“硬實時概要分析(hard real-time profile)”即指這種環境。

                圖1：一個簡單的數字音頻應用構成了本文討論的關鍵性軟件工程的基礎

1  維護和可擴展性要求

摩爾定律推動了典型嵌入式應用的規模和復雜度快速增長。競爭壓力促使軟件不斷發展，以滿足功能越來越強大的硬件的需求。對某些消費電子設備的研究發現，新產品中代碼規模的增長速度非常接近摩爾定律，大約每18至36個月就翻一番。

大約20年前，每個新的嵌入式設備中的所有軟件通常是由一個或兩個工程師在不到一年的時間內寫完。而現代嵌入式軟件的開發則非常困難。假設每次新產品的軟件修訂都要求增加數十萬，甚至數百萬行的代碼，那么嵌入式軟件開發人員的職責將更多地轉向如何解決集成許多獨立開發的軟件組件所帶來的挑戰。

這個簡單的數字音頻例子代表了一種原型的低級嵌入式軟件“產品”。對大多數產品而言，開發原始軟件的成本要比整個產品生命周期內的軟件維護成本小得多。以下列出了該應用在產品生命周期內的發展過程。

(1)軟件將需要被移植到不同的操作系統和不同的處理平臺上，這將改變它的CPU時間和內存需求。

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

(3)雙節點網絡拓撲可能需要進行通用化，以支持有任意多參加者的會議。

(4)模數轉換器(ADC)和數字信號處理器(DSP)的接口可以不斷發展。在一些配置中，操作系統提供了這種服務。而在其它配置中，這種應用可能包括連接音頻子系統硬件和DMA內存設備的設備驅動程序接口。音頻硬件本身有望繼續發展，這要求軟件設備驅動程序不斷發展。

(5)網絡通信協議可能需要作一些改變。在某些環境中，軟件將依賴底層操作系統服務來與網絡連接。隨著各種網絡通信協議的發展，連接操作系統網絡業務的接口甚至也可能發生變化，以便提供新的QoS參數和更高帶寬。在其它情況下，這種應用將需要包含面向硬件接口的低級設備驅動程序，也可能需要實現通信協議棧。可以采用帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問(CSMA/CD)技術、無線、光纖和其它有待發明的技術，在低成本專用串行通道、同軸電纜和雙絞線數據鏈接中實現相同的基礎通信能力。通信庫可能集成了壓縮、加密、檢錯和糾錯，以及滑動窗口協議。

上面給出了軟件在商業化業務應用中的幾種可能發展方式，這里并非想窮舉所有的優勢，只是為了說明保留Java設計優勢的好處，即使是對于一些資源受限和硬實時應用來說。

圖2：硬實時JAVA翻譯環境顯示了各種工具之間的關系，這些工具可使實時組件的開發、維護和集成更容易

2 實時JAVA的能力

這些實時Java編程技術由RTSJ衍生發展而來。該規范具有很好通用性，能支持多種獨特的實時編程要求。由于本文主要關注非常低級的實時軟件，所以我們將開發人員的操作限定在完整RTSJ規范的子集范疇內。

這種概要分析可改善可移植性、可靠性和效率，因為它禁止使用一些需要很大的運行時間開銷、會帶來不可移植的實現依賴性、增加軟件復雜度以致使程序員更容易出錯的功能。硬實時概要分析和完整RTSJ之間一些特殊差異包括：

(1)完整的RTSJ對同步鎖采用優先級繼承方法，并支持優先級限高仿真可選。硬實時概要分析禁止使用優先級繼承并要求支持優先級限高仿真。

(2)完整的RTSJ允許即時修改各種線程調度和對象同步參數。硬實時概要分析禁止對線程調度和同步協議進行即時調整。

(3)完整的RTSJ還支持一些機制，這樣每當任務錯過最終期限或超出其CPU時限時，就可以自動觸發異步事件。請注意，這些服務的實現是完全不可移植的，而精確執行會帶來極高的運行時間開銷。此外，在硬實時應用中不需要運行時間限制，因為在程序執行之前，已經靜態地滿足資源預算和最終期限要求。因此，硬實時概要分析不支持這些機制。

(4)完整的RTSJ支持傳統線程、訪問垃圾收集堆的實時線程，以及不訪問垃圾收集堆的實時線程的混合體。這種不同線程類型的混合大大增加了系統的復雜度和規模。這種復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致的實時編程出錯的可能性，硬實時概要分析僅支持不訪問垃圾收集堆的實時線程。

(5)完整的RTSJ提供一系列可供應用程序員使用的庫，以便舉例說明動態內存范圍，并在特定范圍內分配對象。由于程序員在開發或集成采用嵌套作用域(nested scope)的組件時可能會產生許多小錯誤，所以這些庫的使用尤其成問題。為執行正確的區域性存儲器(scoped-memory)使用協議，RTSJ在每次讀取和/或重寫參考字段時都執行特殊的運行時檢查。在完整的RTSJ中，運行時進行檢查會使程序組件出錯，從而使得程序由于非法分配、非法讀取、區域性存儲器協議錯誤、內存不足錯誤等原因，以運行時間異常方式終止執行。硬實時概要分析禁止使用RTSJ內存作用域(memory scope)操作庫。相反，它要求程序員以編程注釋的形式描述其對作用域內存(scoped-memory)的使用。在編譯期間，這些注釋可以被分析和執行，例如本文應用提到的@Scoped和@StaticAnalyzable注釋。

(6)RTSJ不會為了中斷處理或低級設備的I/O而對庫進行標準化，而硬實時概要分析對這些庫進行定義。

硬實時概要分析的商用化前實現試驗顯示，它運行在某些CPU密集型基準程序的速度比標準Java和完整RTSJ的速度快三倍。這是因為硬實時執行環境比標準RTSJ簡單得多，并且它還用編譯時間驗證替代各種運行時檢查。這種性能可以與相應的C和C++程序相媲美，有時甚至更好。

盡管采用受限的硬實時概要分析比采用傳統Java更加困難，但這種平臺的代碼開發和維護要比用C或C++開發出的相應平臺的維護容易。這是因為硬實時Java平臺具有更好的可移植性，并提供高級的面向對象的抽象。此外，硬實時Java平臺包括可使實時組件的開發、維護和集成更為容易的一些重要開發工具(圖2)。

由于包含了強制嚴格遵守類型安全的字節碼校驗器，與C和C++相比，Java開發可提高可靠性和可維護性。C和C++程序員可以利用多種讓使類型安全無效的機制，而有意或無意地利用這些漏洞將使代碼更容易產生錯誤，并降低可移植性。

受限的實時環境提供了比傳統Java更嚴格的字節碼驗證。特別是，圖2中的硬實時驗證器可確保指向堆棧分配對象的參數(指針)不會比對象本身的生存期更長。它也確保用專用@StaticAnalyzable注釋標記的程序組件，可限制它們對可分析子集使用Java。與硬實時翻譯器的集成，則能提供確定執行每個組件所需的CPU時間和堆棧內存上限的能力。

執行硬實時組件所需的所有臨時內存分配，必須由正在執行線程的運行時棧來實現。執行從單主線程開始，而主線程的運行時棧代表了所有可重復使用的內存。對于由主線程派生的每個附加線程，它提供了部分運行時棧作為派生線程的運行時棧。