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(黑河學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，黑河 164300)

引　言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)及微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，嵌入式技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)深入到當(dāng)今世界的各個(gè)角落。無論是工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集與測控系統(tǒng)，還是數(shù)字化家用電器都從單機(jī)、局部的檢測控制，發(fā)展成為以高性能的嵌入式系統(tǒng)為核心、依靠有線/無線網(wǎng)絡(luò)、能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制的復(fù)雜系統(tǒng)。許多高級的面向?qū)ο蠛兔嫦蚓W(wǎng)絡(luò)的程序設(shè)計(jì)方法大行其道，如C#和Java等漸漸成為程序設(shè)計(jì)的主流，甚至于在嵌入式系統(tǒng)中也出現(xiàn)了J2ME等先進(jìn)的程序設(shè)計(jì)技術(shù)。目前廣泛使用的網(wǎng)絡(luò)編程語言Java是一種適合于分布式計(jì)算的新型面向?qū)ο蟮模m應(yīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展需要的程序設(shè)計(jì)語言。但JVM(Java虛擬機(jī))對硬件環(huán)境的要求比較高，需要較大的內(nèi)存和足夠高的運(yùn)行速度，這樣的硬件要求使設(shè)備的成本過于昂貴，從而限制了Java語言在低檔嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用。

所以到目前為止，未能檢索到應(yīng)用于MCS-51系列之類較低檔的8位單片機(jī)的Java編譯器。而作為目前國內(nèi)使用最多，應(yīng)用最廣的嵌入式內(nèi)核，為了實(shí)現(xiàn)與Internet的連接，依然沿用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，十分費(fèi)時(shí)費(fèi)力，所以只有極少數(shù)實(shí)力雄厚的公司和技術(shù)精湛的個(gè)人才能對其進(jìn)行開發(fā)[1]。因此將Java語言引入MCS-51等廉價(jià)8位單片機(jī)的應(yīng)用設(shè)計(jì)，可讓國內(nèi)嵌入式系統(tǒng)技術(shù)和家庭信息化技術(shù)跟上國外技術(shù)發(fā)展的潮流，使廣大的中小型公司和初入門的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)者都能很方便地實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)的連接，是一件非常重要和非常緊迫的工作。

本文的目標(biāo)是針對國內(nèi)外嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀，在PC機(jī)的Windows環(huán)境下使用VC 6.0開發(fā)工具，提出用編譯的方法，設(shè)計(jì)一款能直接生成MCS-51系列單片機(jī)的目標(biāo)代碼，不依賴操作系統(tǒng)和JVM的支持多線程的嵌入式Java編譯器。使設(shè)計(jì)者能用Java語言編程建立設(shè)備的Web頁面，使用普通的瀏覽器就可訪問各種電器設(shè)備，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制功能。由于Java語言是面向?qū)ο蠛兔嫦蚓W(wǎng)絡(luò)的，比匯編和C語言都更接近自然語言，可以降低嵌入式設(shè)計(jì)技術(shù)的難度，而MCS-51系列單片機(jī)具有最大的應(yīng)用范圍，可以實(shí)現(xiàn)成本低廉的工業(yè)環(huán)境甚至家庭電器的監(jiān)測和控制。這種基于互聯(lián)網(wǎng)的嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)的普及，能使信息技術(shù)在全社會的各個(gè)方面得到更廣泛的應(yīng)用。

1　Java技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)的矛盾剖析

Java程序設(shè)計(jì)語言是一種面向?qū)ο蟮?構(gòu)造精美的通用程序設(shè)計(jì)語言，其正在迅速地發(fā)揮它的潛能,改變著軟件開發(fā)方式，主要由以下模塊組成：Java源語言、Java的class文件格式、Java應(yīng)用程序接口和JVM。其中，JVM和Java class文件是任何傳統(tǒng)Java運(yùn)行環(huán)境必不可少的。Java源語言通過編譯器(命令工具Javac)編譯為字節(jié)碼(Class文件)，它為Java源程序提供了隔離運(yùn)行環(huán)境的二進(jìn)制形式的服務(wù)，這正是Java虛擬機(jī)需要的；軟件程序調(diào)用Java應(yīng)用程序接口訪問系統(tǒng)資源，這就注定Java應(yīng)用程序接口的class庫文件與主機(jī)平臺是密切相關(guān)的。在一個(gè)平臺支持Java程序之前，必須在這個(gè)特定平臺上明確地實(shí)現(xiàn)API(應(yīng)用程序接口)的功能，API可以輕松地通過本地方法實(shí)現(xiàn)本地資源的訪問。最后，通過Java虛擬機(jī)解釋運(yùn)行Java字節(jié)碼。Java編譯系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　Java體系結(jié)構(gòu)

與傳統(tǒng)開發(fā)語言相比，Java比C更具條理性，比C++更容易學(xué)，彌補(bǔ)了C++中的一些弊端。但是標(biāo)準(zhǔn)Java語言是一門解釋型語言，運(yùn)行在Java虛擬機(jī)上的Java應(yīng)用程序執(zhí)行速度最快，也只能滿足ms級的軟實(shí)時(shí)需求。

雖然Sun公司不斷地改進(jìn)優(yōu)化運(yùn)行時(shí)的環(huán)境(HotSpot Java虛擬機(jī))，但是運(yùn)行速度還是不能滿足實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)的時(shí)間要求。Java語言的垃圾回收機(jī)制隨時(shí)都會讓系統(tǒng)停止運(yùn)行，這將導(dǎo)致時(shí)間的不可預(yù)測性，會造成嚴(yán)重的后果，嚴(yán)重違背了嵌入式系統(tǒng)的宗旨[1]。

對于嵌入式編程而言，選擇Java語言作為開發(fā)工具看起來有些難以想象。傳統(tǒng)的Java技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中有很多的不足，如動態(tài)類加載，以及垃圾收集隨時(shí)停頓系統(tǒng)的運(yùn)行等，使得 Java技術(shù)的時(shí)間特性具有不確定性和抖動；同時(shí)，Java語言是一門解釋型的語言，其性能會比C/C++編寫的同樣程序運(yùn)行時(shí)慢許多。由于這些因素，致使Java語言不能在嵌入式系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用[2]。

2　編譯器的設(shè)計(jì)

編譯器是嵌入式技術(shù)的重要組成部分，它是運(yùn)行在主機(jī)平臺上，為另一個(gè)不同的目標(biāo)平臺生成可執(zhí)行代碼的特殊的編譯器[3]。本文編譯器的任務(wù)是將Java源程序編譯成MCS-51系列單片機(jī)的可執(zhí)行文件，其設(shè)計(jì)采用單遍掃描的編譯程序結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)代編譯器開發(fā)技術(shù)已經(jīng)存在許多非常標(biāo)準(zhǔn)的形式化方法，這些方法將極大地改變編譯器開發(fā)的難度。本文運(yùn)用Windows下VC 6.0開發(fā)工具，參照實(shí)時(shí)版jRate及Sun公司的GJC編譯系統(tǒng)[4]，使用C++作為宿主語言，完成實(shí)時(shí)Java交叉編譯器的詞法分析器、語法分析器和語義分析器設(shè)計(jì)，最后實(shí)現(xiàn)Java語言源程序的編譯并生成MCS-51系列單片機(jī)的目標(biāo)代碼。

2.1　詞法分析器設(shè)計(jì)

詞法分析程序完成的是編譯第一階段的工作。詞法分析器的任務(wù)是對輸入的符號串形式的源程序進(jìn)行最初的加工處理，其掃描讀入高級語言源程序中的每個(gè)字符，識別出原程序中有獨(dú)立意義的源語言單詞，用某種特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對它的屬性予以表示和標(biāo)注，即Token碼(Token集合由詞法文法或正規(guī)文法表示)。

這些由單詞符號組成的Token碼傳遞給語法分析器作進(jìn)一步分析[5]。目前絕大多數(shù)的編譯器是將詞法分析程序設(shè)計(jì)成語法分析程序的一個(gè)子程序或者協(xié)作程序進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，當(dāng)語法分析部分調(diào)用詞法分析器時(shí)，執(zhí)行 “取下一個(gè)Token碼”指令，詞法分析器讀取輸入字符，直到識別出下一個(gè)字符，如圖2所示。

圖2　語法分析器與詞法分析器的調(diào)用關(guān)系

在實(shí)時(shí)Java交叉編譯器中，詞法分析器是通過Scanner類實(shí)現(xiàn)的。在頭文件scanner.h中聲明了整型Token，識別出當(dāng)前字符是什么、關(guān)鍵字、標(biāo)識符或者是Java語言的符號等等。假設(shè)詞法分析器識別出當(dāng)前處理的單詞類型是標(biāo)識符，則必須要提供該標(biāo)識符的具體名字，方便將其存儲到符號表中；同時(shí)，程序中還聲明了當(dāng)前字符的起始位置(Pos)、結(jié)束位置(endPos)和臨時(shí)記錄位置(temPos)，這些都是位置記錄類Position的實(shí)例。

Position類用于存儲掃描器掃描到的字符位置，其line和col屬性分別表示字符所在行與列，這些內(nèi)容在源程序出現(xiàn)詞法錯誤時(shí)，用來提供錯誤位置的相關(guān)信息，并且提供Set方法用于為Position實(shí)例賦值，Reset方法將行、列置零。

實(shí)時(shí)Java詞法分析器的初始化在Scanner的構(gòu)造函數(shù)中完成的，其主要完成將輸入文件中的字符讀到內(nèi)存的緩沖區(qū)內(nèi)，預(yù)置當(dāng)前字符的位置，并且調(diào)用NextToken()方法讀取下一個(gè)Token碼，NextToken()方法也是語法分析器調(diào)用詞法分析器的接口。由于整個(gè)輸入文件在詞法分析器初始化時(shí)已經(jīng)讀入內(nèi)存緩沖區(qū)中，讀取字符就變得方便許多，只需移動字符指針即可，并將該字符賦值給詞法分析器中當(dāng)前正在處理字符的整型變量ch。

具體實(shí)現(xiàn)方式見scanchar()方法，同時(shí)也應(yīng)維護(hù)當(dāng)前字符的位置相關(guān)信息。詞法分析器還有一個(gè)重要任務(wù)——注釋和空格的過濾，本文通過Scanner類的ScanCommentChar()和SkipComment()兩個(gè)方法實(shí)現(xiàn)，它們分別表示掃描注釋標(biāo)志和跳過注釋內(nèi)容。

根據(jù)上面所述，當(dāng)讀取到一個(gè)字符時(shí)，可根據(jù)不同的情況(case語句)調(diào)用相應(yīng)的處理函數(shù)進(jìn)行處理。本文設(shè)計(jì)的Scanner類的主要屬性如下所示：

class Scanner{

Position pos;

//當(dāng)前的token的起始位置

Position endPos;//當(dāng)前的token的結(jié)束位置

Position tmpPos;//臨時(shí)記錄用位

void ScanCommentChar();//掃描注釋標(biāo)志

void SkipComment();//跳過注釋內(nèi)容

......

void NextToken();//掃描下一個(gè)token

void OutputToken();//輸出當(dāng)前的token

};

2.2　語法/語義分析器設(shè)計(jì)

根據(jù)Java語言語法規(guī)范，為了使方法具有確定性，本文選擇按照LL(1)文法采用遞歸下降法進(jìn)行總體語法分析，并結(jié)合使用自底向上分析法的算符、優(yōu)先規(guī)則處理文法符號求出其屬性值[6]。本文編譯器的語法/語義分析器是采用語法制導(dǎo)的翻譯模式，通過遞歸下降分析法和算符分析優(yōu)先法實(shí)現(xiàn)的。編譯器的詞法分析器、語法分析器、語義分析器及抽象語法樹之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3　嵌入式Java編譯器的前端流程圖

實(shí)時(shí)Java編譯器的語法/語義分析器主要是由Syntax類完成的，該語法分析器的主要任務(wù)是將輸入的Token字符串通過遞歸下降分析法構(gòu)造成抽象語法樹，同時(shí)進(jìn)行語義分析，遍歷語法樹并在語法樹的各結(jié)點(diǎn)處按語義規(guī)則進(jìn)行計(jì)算。

Syntax類的MakeTree方法實(shí)現(xiàn)了各種語法樹的構(gòu)造。Word結(jié)構(gòu)用于記錄每個(gè)單詞的信息包括其詳細(xì)屬性，所在源程序的行和列，以及一個(gè)存儲值的聯(lián)合類型。在本文中，語法和語義的檢查方法是基于語義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的，作者在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中定義了一個(gè)符號表——HashTable，它將源程序的單詞名稱作為關(guān)鍵字。每個(gè)名字包括兩個(gè)屬性：該字符起始位置的偏移量和名字的長度。

在語法分析過程中，有時(shí)候會遇到很多語法及語義錯誤。但是當(dāng)遇到錯誤時(shí)，分析過程不會停止，它會繼續(xù)完成整個(gè)程序的分析。錯誤處理是由Syntax類中的Skip()方法實(shí)現(xiàn)的，并且通過TellError()報(bào)告錯誤的相關(guān)信息，并寫入記錄文件。錯誤記錄包括語法錯誤的類型，所在源程序的行與列等。本文設(shè)計(jì)的Syntax類的部分屬性如下所示：

class Syntax{

viod Skip();

void TellError(const char * reason);//報(bào)告錯誤

……

int Id_To_Index(const char * id);//由標(biāo)識符查找索引，

//不存在返回-1

void MakeTree(); //構(gòu)造語法樹

};

2.3　生成目標(biāo)代碼

目標(biāo)代碼生成作為實(shí)時(shí)Java編譯器的最后階段，把經(jīng)過語法分析或優(yōu)化后的中間代碼作為輸入，將其轉(zhuǎn)換成特定機(jī)器的機(jī)器語言或匯編語言作為輸出，這樣的轉(zhuǎn)換程序稱為代碼生成器。對于嵌入式交叉編譯器而言，代碼生成是非常復(fù)雜的過程，因?yàn)槠洳坏蕾嚫呒壵Z言的特征，而且還依賴于硬件平臺，與運(yùn)行在硬件平臺上的操作系統(tǒng)也有密切的關(guān)系[7]。

總體來講，代碼生成器的輸入包括前端產(chǎn)生的源程序的中間表示與符號表信息，負(fù)責(zé)存儲的管理，與編譯器的前端協(xié)作將符號表中的數(shù)據(jù)對象映射為運(yùn)行時(shí)存儲器中數(shù)據(jù)對象的地址。目標(biāo)代碼的輸出可以是多種多樣的：可重定位的機(jī)器語言、絕對機(jī)器語言和匯編代碼。

前面兩種語言的設(shè)計(jì)難度比較高，而且?guī)缀趺總€(gè)系統(tǒng)都有其對應(yīng)的匯編程序，因此本文選用生成匯編代碼作為代碼生成的目標(biāo)文件程序，這樣就可以避免編寫編譯程序的目標(biāo)機(jī)器代碼部分，同時(shí)可以利用匯編器的宏功能幫助代碼生成。

本文的代碼生成過程是由語法分析器Syntax類的WriteAsm()函數(shù)完成的，通過該函數(shù)完成抽象語法樹的遍歷。程序運(yùn)行時(shí)，該函數(shù)會為進(jìn)入的函數(shù)或者過程在內(nèi)存中開辟一個(gè)棧區(qū)并且按棧的特性進(jìn)行存儲分配，其需要的存儲空間就被分配于棧頂，函數(shù)返回時(shí)釋放所占有的空間。在成功存儲“標(biāo)識符”等符號后，同時(shí)也將生成的匯編程序的數(shù)據(jù)段寫入符號表，符號表用以記錄單詞符號與其索引號的對應(yīng)關(guān)系，符號的索引號用于表明相應(yīng)符號在匯編語言文件數(shù)據(jù)段中的地址標(biāo)號。當(dāng)符號再次出現(xiàn)時(shí)，通過索引號在匯編語言的代碼段中引用。代碼生成程序的主要內(nèi)容如下所示，主要給出了while循環(huán)語句及各種運(yùn)算符的函數(shù)定義：

void Asm_WhileBegin();//循環(huán)開始

void Asm_WhileLoop(const char * jump);

//循環(huán)判斷(jump=跳出循環(huán)的跳轉(zhuǎn)語句)

void Asm_WhileEnd();//循環(huán)結(jié)束

……

void Asm_Expression(struct Word * theoptr_ptr); //處理表達(dá)式

void Asm_Comment(const char * comment); //加入注釋

void WriteAsm(); //生成匯編語言

2.4　實(shí)時(shí)Java編譯器的測試

嵌入式Java編譯器是基于C++語言開發(fā)的，在實(shí)現(xiàn)上主要包括兩部分：用戶界面和編譯器。在用戶界面方面其表現(xiàn)為一個(gè)圖形化繼承開發(fā)環(huán)境，所有的代碼編輯和編譯都可在該環(huán)境中完成，將給出開發(fā)平臺的新建Java應(yīng)用工程的過程，如圖4所示。

圖4　開發(fā)平臺的新建工程界面

對移植的結(jié)果進(jìn)行測試非常重要，但是目前缺少全面有效的測試方法，本文采用的是用模擬器和實(shí)際測試版相結(jié)合的測試方法。采用模擬器可以大大地降低測試的難度，提高效率，更重要的是可以進(jìn)行跟蹤調(diào)試以幫助找到錯誤。同時(shí)，為了測試實(shí)時(shí)Java編譯器的正確性，即測試實(shí)時(shí)Java編譯器輸出的MCS-51系列單片機(jī)匯編程序是否正確，在實(shí)際測試板上運(yùn)行輸出的程序是非常必要的，只有真正在硬件機(jī)器上運(yùn)行過的程序才能確保編譯結(jié)果的正確性。測試結(jié)果分析，本文嵌入式Java編譯器已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了從Java語言到MCS-51系列單片機(jī)匯編指令的編譯。

結(jié)　語

[1] 滕海坤.基于RTSJ的智能家居系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)[J].桂林理工大學(xué)學(xué)報(bào),2011(1).

[2] 高愛玲.Java與C/C++的編譯器優(yōu)劣探討[J].信息通信,2014(3).

[3] 沈健.基于嵌入式linux系統(tǒng)交叉編譯的實(shí)現(xiàn)[J].赤子,2014(12).

[4] 朱磊.一種污水處理仿真語言編譯器的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用[J].軟件,2014,35(2).

[5] John Levine. Flex與Bison (中文版)[M].陸軍，譯.南京: 東南大學(xué)出版社，2012.

[6] Jourdan J-H, Laporte V, Blazy S,et al. A formally-verified c static analyzer In: Proc. of the POPL2015[M]. Mumbai:ACM Press, 2015.

[7] 尚書.可信編譯器L2C的核心編譯步驟及其設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].軟件學(xué)報(bào),2017,28(5).

[8] 周文.復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真語言編譯器的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2016,28(7).