專利名稱：嵌入式可裁剪式虛擬機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種嵌入式可裁剪式虛擬機，屬于嵌入式系統(tǒng)領域。
背景技術：
物聯(lián)網(wǎng)嵌入式虛擬機技術是一種用于工業(yè)現(xiàn)場，通過網(wǎng)絡實現(xiàn)動態(tài)配置、腳本控 制的技術，被廣泛用于嵌入式設備、網(wǎng)絡、機器視覺等眾多領域。在自動化生產(chǎn)線、遠程設備 調(diào)試上，嵌入式虛擬機技術起著關鍵性作用。廠家使用嵌入式虛擬機技術通過網(wǎng)絡進行系 統(tǒng)配置、遠程調(diào)試與控制，從而可降低現(xiàn)場人工操作量、提高調(diào)試效率、方便控制系統(tǒng)流程。目前，國際市場中根據(jù)虛擬機的應用領域分為3類，即服務器虛擬機、PC虛擬機、 嵌入式虛擬機。服務器虛擬機有Hyper-V、VMware Server、Xen, Virtual Server等，在系 統(tǒng)安全性、部署軟件、開發(fā)測試等方面具有重要作用。PC虛擬機有VMware Workstation, Virtualbox,Virtualbox等，使單一架構的PC機同時具有多種操作系統(tǒng)，并能同時訪問。嵌 入式虛擬機還處于發(fā)展階段，目前主要有google公司的DalviKCognex公司用于機器視覺 腳本的虛擬機，但均無可裁剪性。意味著它們只能運用在嵌入式中高端芯片之上，對于那些 低端的8位、16位CPU，則無法展示其優(yōu)勢，甚至無法運行。隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，對嵌入式底層設備提出了更高要求。物聯(lián)網(wǎng)將底層設備 統(tǒng)一在一起，這就勢必引出遠程配置、控制、調(diào)試、安全等關鍵技術問題。為使其有一個公共 的開發(fā)平臺，研發(fā)一種高性價比、通用性強的嵌入式可裁剪式虛擬機具有重要意義。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，用戶需要基于底層嵌入式設備實現(xiàn)遠程系統(tǒng)配置與調(diào) 試。嵌入式底層設備具有多樣化性，如果為每個嵌入式底層設備開發(fā)相關網(wǎng)絡通信模塊，勢 必加大投入。目前，只有Tridium公司推出開源軟件編程開放平臺，包括Sedona編程語言、 工具包、虛擬機、編譯器、圖形化開發(fā)調(diào)試工具等。它是控制網(wǎng)成為物聯(lián)網(wǎng)形態(tài)一種軟件體 系架構，目的是把現(xiàn)場總線上的物理設備形成Sedona設備，通過B/S訪問模式對Sedona設 備進行管理和監(jiān)控。但該種結構只是簡單的通過網(wǎng)絡將各種資源整合到服務器中，而且只 能對某一區(qū)域內(nèi)的設備進行“物聯(lián)”，還沒有達到遠程配置調(diào)試的目的。嵌入式可裁剪式虛擬機可以根據(jù)實際需求動態(tài)改變自身功能，滿足不同的嵌入式 環(huán)境需求，向上可以滿足ARM、DSP這種高性能芯片，向下可以用于單片機這類低端芯片，并 且該虛擬機的可移植層提高了虛擬機跨平臺的能力，用戶只需簡單的配置就可以將虛擬機 移植到所需平臺上。再者，該虛擬機可以通過腳本進行遠程配置系統(tǒng)信息，遠程調(diào)試，減少 人力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術中存在的不足，提供一種嵌入式可裁剪式虛擬機， 可根據(jù)需求實現(xiàn)模塊的裁剪，既滿足需求，又節(jié)省系統(tǒng)資源，是一種適合于工業(yè)現(xiàn)場遠程調(diào) 控和配置，并滿足功能要求的嵌入式可裁剪式虛擬機。按照本發(fā)明提供的技術方案，所述嵌入式可裁剪式虛擬機包括
3一個用于管理虛擬機內(nèi)存的內(nèi)存管理模塊，負責一切實例對象及相關內(nèi)存的申請與銷毀；
一個用于class文件編譯成本地代碼的即時編譯模塊，以提高程序執(zhí)行效率； 一個用于解釋執(zhí)行字節(jié)碼的解釋器； 一個用于管理線程的線程管理模塊； 一個本地接口，負責調(diào)用相關工具模塊；
一個運行時數(shù)據(jù)區(qū)，用于存儲包括方法區(qū)、堆、運行時棧、本地方法棧信息； 一個可移植層，以提升虛擬機的跨平臺能力；
所述內(nèi)存管理模塊與所述即時編譯模塊、解釋器、本地接口、運行時數(shù)據(jù)區(qū)和可移植層 均相連；運行時數(shù)據(jù)區(qū)與所述即時編譯模塊、解釋器、本地接口和可移植層均相連；即時編 譯模塊連接本地接口 ；解釋器連接本地接口 ；虛擬機整體與可移植層相連。所述線程管理模塊分為用戶級和內(nèi)核級兩種管理方式，當腳本程序中沒有人機交 互指令時采用用戶級線程管理，否則采用內(nèi)核級線程管理。所述可移植層將底層的不同應用程序編程接口抽象成統(tǒng)一接口，供虛擬機調(diào)用。該虛擬機采用自身的內(nèi)存管理算法，或采用可移植層中所提供的內(nèi)存管理算法， 或采用用戶自定義的內(nèi)存管理算法。所述可移植層包含內(nèi)存、網(wǎng)絡、線程、I/O、文件五部分模塊，通過網(wǎng)絡進行系統(tǒng)動 態(tài)配置。本發(fā)明的優(yōu)點是由于采用模塊化設計，降低開發(fā)成本，促進軟件復用，方便二次 開發(fā)。解釋器和即時編譯模塊的存在提升了嵌入式系統(tǒng)的選擇空間，本地接口設計加強了 功能的擴展，可移植層模塊提高了虛擬機的可移植性。嵌入式可裁剪式虛擬機的發(fā)明使物 聯(lián)網(wǎng)嵌入式底層設備的遠程動態(tài)配置、調(diào)試更加快捷。該嵌入式可裁剪式虛擬機通過腳本 文件進行遠程配置、調(diào)試，用戶無需攜帶專業(yè)設備到工業(yè)現(xiàn)場進行調(diào)試，既提高了效率，又 減少了開發(fā)成本。


圖1為本發(fā)明的結構框圖。圖2為可裁剪式虛擬機組件層次結構圖。圖3(a)為虛擬機自身的內(nèi)存申請流程圖。圖3(b)為虛擬機自身的內(nèi)存調(diào)整流程圖。圖3(c)為虛擬機自身的內(nèi)存釋放流程圖。圖4為解釋器和即時編譯模塊執(zhí)行流程圖。圖5為可移植層原理圖。圖6(a)為可移植層內(nèi)部模塊內(nèi)存調(diào)用流程圖。圖6(b)為可移植層內(nèi)部模塊線程管理流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。如圖1所示，所述的嵌入式可裁剪式虛擬機由內(nèi)存管理、即時編譯、解釋器、線程管理、本地接口、可移植層等模塊組成。具體包括一個用于管理虛擬機內(nèi)存的內(nèi)存管理模 塊，負責一切實例對象及其它相關內(nèi)存的申請與銷毀；一個用于class文件編譯成本地代 碼的即時編譯模塊，以提高程序執(zhí)行效率；一個用于解釋執(zhí)行字節(jié)碼的解釋器；一個用于 管理線程的線程管理模塊；一個本地接口，負責調(diào)用相關工具模塊；一個運行時數(shù)據(jù)區(qū)，存 儲了方法區(qū)、堆、運行時棧、本地方法棧等信息；一個包含多種軟硬平臺的可移植層，負責虛 擬機的跨軟硬兩種平臺。虛擬機在類裝載、運行等過程中需要大量申請內(nèi)存，只要和內(nèi)存相關部分，都由內(nèi) 存管理模塊維護，內(nèi)存管理模塊連接虛擬機其他的所有模塊；即時編譯模塊是將class文 件編譯成本地代碼所用，連接本地接口、運行時數(shù)據(jù)區(qū)、內(nèi)存管理；解釋器主要完成代碼的 解釋執(zhí)行，連接本地接口、運行時數(shù)據(jù)區(qū)、內(nèi)存管理；線程管理主要對用戶腳本內(nèi)的各個線 程進行管理，與運行時數(shù)據(jù)區(qū)、內(nèi)存管理相連；本地接口主要為虛擬機提供調(diào)用本地方法的 接口，與運行時數(shù)據(jù)區(qū)、解釋器、即時編譯模塊、內(nèi)存管理相連；運行時數(shù)據(jù)區(qū)與虛擬機的其 他模塊均相連；可移植層與整個虛擬機相連，提升虛擬機的跨平臺能力。所述的內(nèi)存管理模塊對裝載和運行過程中產(chǎn)生的內(nèi)存進行管理。即時編譯模塊可 根據(jù)實際需求將腳本程序編譯成本地代碼，提高運行速度。解釋器模塊對腳本程序解釋執(zhí) 行。本地接口調(diào)用嵌入式本地工具代碼，提高系統(tǒng)運行速度。所述的嵌入式可裁剪式虛擬機可移植層主要由多種平臺的內(nèi)存、線程、網(wǎng)絡、文 件、I/O等部分組成，具體采用何種平臺代碼由虛擬機運行時動態(tài)確定。用戶腳本(User Script)采用Java語言編寫，編譯后通過網(wǎng)絡將class文件下載 到RAM中；配置信息則是對相關終端設備進行配置。虛擬機在配置完成后，通過Java本地 接口(Java Native Interface，JNI)調(diào)用相關模塊或其它本地代碼來完成用戶腳本的執(zhí) 行，最后達到控制、顯示的效果。圖2所示，該虛擬機由解釋器、線程、即時編譯模塊、網(wǎng)絡、內(nèi)存等組成，不同平臺 對應不同組件，虛擬機會根據(jù)實際需求而生成。另外，用戶還可以自行開發(fā)某個組件來替換 原有組件。如圖3 (a) (b) (c)所示的嵌入式可裁剪式虛擬機自身的內(nèi)存管理方式，虛擬機 在實現(xiàn)時會多次申請內(nèi)存，如果都由系統(tǒng)內(nèi)核來管理，勢必造成額外的運行開銷，并產(chǎn)生內(nèi) 存碎片。虛擬機自身具有可靠的內(nèi)存管理避免了虛擬機無法申請到內(nèi)存而造成崩潰。虛擬 機采用兩個雙向鏈表空閑表和使用表，為了便于代碼實現(xiàn)，分配時從尾端開始向前進行分 配，每次分配后需修改IdleBlockSize (IdleBlockSize為空閑區(qū)的大小)。內(nèi)存節(jié)點結構 由 DataSize、RealSize、TestBlock、Memory、OtherBlock 組成，其含義分別為申請的內(nèi)存大 小、該結構所占空間大小、檢測塊，為四個字節(jié)的字符‘T’、實際申請的內(nèi)存塊、空間余量，主 要用于內(nèi)存調(diào)整函數(shù)。圖4所示，虛擬機會根據(jù)運行環(huán)境的資源開銷程度來確定是否采用即時編譯技 術，一旦采用該技術，虛擬機會檢測運行環(huán)境并將代碼編譯成本地代碼，提高運行速度，但 也增加了系統(tǒng)開銷。而解釋器的運行速度雖然沒有即時編譯那么快，但也足以在許多場合 適用，且其系統(tǒng)開銷較小。圖5所示，本發(fā)明嵌入式可裁剪式虛擬機將底層的不同API(應用程序編程接口 )抽 象成統(tǒng)一接口以達到虛擬機的高效移植。這些模塊主要有線程、內(nèi)存、網(wǎng)絡等，抽象后的模塊分別命名為P1 thread、ρlmemory、ρInet，在各個模塊的名字前加“ρ 1 ”表示這是可移植層 抽象后的模塊。以線程(Thread)模塊為例，虛擬機只會調(diào)用plthread，由此提高了虛擬機 的移植性。各模塊連接方式如圖5所示各個平臺的線程模塊被抽象到plthread模塊中，內(nèi) 存模塊抽象到Plmemory中，網(wǎng)絡模塊抽象到plnet中，其它模塊類似。抽象后的plthread、 plmem0ry、plnet、其它模塊整合成可移植層，可移植層與虛擬機相連接，為虛擬機的跨平臺 提供可能。所述的可移植層將底層不同平臺中具有同一功能API抽象成統(tǒng)一接口，主要包含 各種平臺的內(nèi)存、網(wǎng)絡、線程、I/O、文件五部分模塊，并能通過網(wǎng)絡進行系統(tǒng)動態(tài)配置。以線 程模塊為例，不同平臺(DSP、ARM或其它)的線程模塊被抽象成可移植層的plthread模塊， 虛擬機只會調(diào)用plthread，并根據(jù)初始的宏定義來確定具體采用何種平臺的相關代碼。開 發(fā)者只要將可移植層設計完善，使其盡量包含多的平臺，用戶只需簡單的定義相關宏就能 實現(xiàn)虛擬機的移植，以滿足不同的嵌入式環(huán)境需求，既可以滿足ARM、DSP這種高性能芯片， 又可以用于單片機這類低端芯片，提高了開發(fā)效率和應用范圍。有了可移植層的支持，不同 類庫中的與平臺相關的代碼完全被可移植層捕獲，并由其確定調(diào)用對象，加強了系統(tǒng)的功 能擴展。所述的可移植層包含多種軟硬平臺信息，使虛擬機完全可以跨平臺，而不單單是 腳本程序的跨平臺，該方案大大提高了虛擬機的可移植性。圖6 (a) (b)所示，虛擬機可以采用自身的內(nèi)存管理算法，也可以采用可移植層中 所提供的內(nèi)存管理算法，更可以采用用戶開發(fā)的高效算法，這完全取決于用戶?？梢浦矊訛?虛擬機提供了兩種方式的線程管理用戶級線程管理和內(nèi)核級線程管理。對于需要人機交 互的多線程進行API重寫，使虛擬機中對于線程API的調(diào)用都依賴可移植層，提高了可移植 性；在確定沒有人機交互的腳本程序，對線程進行用戶級管理，這樣可以避免內(nèi)核調(diào)度，節(jié) 約運行時間。本嵌入式可裁剪式虛擬機采用“即時編譯+解釋器”的組合模式，根據(jù)系統(tǒng)執(zhí)行的 代碼量和所能承受的負擔來確定采用何種方式，提高處理效率。虛擬機模塊化、可裁剪，動 態(tài)調(diào)用工具模塊，動態(tài)配置系統(tǒng)信息，功能強，可廣泛用于物聯(lián)網(wǎng)底層各種嵌入式設備，如 機器視覺，覆蓋領域廣闊。
權利要求
1.嵌入式可裁剪式虛擬機，其特征是包括一個用于管理虛擬機內(nèi)存的內(nèi)存管理模塊，負責一切實例對象及相關內(nèi)存的申請與銷毀；一個用于Class文件編譯成本地代碼的即時編譯模塊，以提高程序執(zhí)行效率； 一個用于解釋執(zhí)行字節(jié)碼的解釋器； 一個用于管理線程的線程管理模塊； 一個本地接口，負責調(diào)用相關工具模塊；一個運行時數(shù)據(jù)區(qū)，用于存儲包括方法區(qū)、堆、運行時棧、本地方法棧信息； 一個可移植層，以提升虛擬機的跨平臺能力；所述內(nèi)存管理模塊與所述即時編譯模塊、解釋器、本地接口、運行時數(shù)據(jù)區(qū)和可移植層 均相連；運行時數(shù)據(jù)區(qū)與所述即時編譯模塊、解釋器、本地接口和可移植層均相連；即時編 譯模塊連接本地接口 ；解釋器連接本地接口 ；虛擬機整體與可移植層相連。
2.如權利要求1所述嵌入式可裁剪式虛擬機，其特征是所述線程管理模塊分為用戶級 和內(nèi)核級兩種管理方式，當腳本程序中沒有人機交互指令時采用用戶級線程管理，否則采 用內(nèi)核級線程管理。
3.如權利要求1所述嵌入式可裁剪式虛擬機，其特征是所述可移植層將底層的不同應 用程序編程接口抽象成統(tǒng)一接口，供虛擬機調(diào)用。
4.如權利要求1所述嵌入式可裁剪式虛擬機，其特征是虛擬機采用自身的內(nèi)存管理算 法，或采用可移植層中所提供的內(nèi)存管理算法，或采用用戶自定義的內(nèi)存管理算法。
5.如權利要求1所述嵌入式可裁剪式虛擬機，其特征是所述可移植層包含內(nèi)存、網(wǎng)絡、 線程、I/O、文件五部分模塊，通過網(wǎng)絡進行系統(tǒng)動態(tài)配置。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種應用于物聯(lián)網(wǎng)底層嵌入式設備的可裁剪式虛擬機，包括一個內(nèi)存管理模塊、一個即時編譯模塊、一個解釋器模塊、一個線程管理模塊、一個本地接口模塊、一個運行時數(shù)據(jù)區(qū)、一個可移植層模塊?？梢浦矊影瑑?nèi)存、網(wǎng)絡、線程、文件、I/O等模塊，通過網(wǎng)絡進行系統(tǒng)動態(tài)配置，使虛擬機實現(xiàn)跨平臺?？刹眉羰教摂M機適用于物聯(lián)網(wǎng)底層不同層次嵌入式設備的需求，具有應用范圍廣、體積小、能耗低、功能強、配置靈活的特點，可廣泛用于物聯(lián)網(wǎng)底層各種嵌入式設備，如機器視覺，覆蓋領域廣闊。
文檔編號G06F9/455GK102004662SQ20101057677
公開日2011年4月6日 申請日期2010年12月7日 優(yōu)先權日2010年12月7日
發(fā)明者白瑞林, 趙潔 申請人:江南大學