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一种基于Java平台的可编程嵌入式系统设计
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2009-08-26
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传统的嵌入式产品只能实现某种特定的功能，不能满足用户可变的丰富多彩的应用需
求。为解决这个问题，本文设计并实现了一种使用Java 作为软件平台的基于FPGA 的可编程嵌入式系统，以实现系统对多种本地应用和网络的支持。
关键词：ASIC, FPGA，HW method，Java
传统的嵌入式系统设计的主要目标是找到一种优化的体系结构来完成单一的，特定的功
能。对这样的系统来说，ASIC 和核心处理器是作为特别的构件模块加以考虑的：设计者根据应用的要求选择适当的ASIC，根据给定的性能要求比如处理器主频，系统稳定性，以及对功耗的要求等选用适当的处理器内核。
然而，在当今移动通信已经进入每个人的生活的今天，现在的嵌入式系统比如PDA 等已
经不同于传统意义上的嵌入式系统了，它们有自己的独特特点。客观需要要求它们能够支持多种应用功能如网页浏览，播放音频/视频文件，以及进行无线网络通信等。
这样看来，传统的设计思路因为只面向单一的应用，无法满足多应用嵌入式系统的需求。
而解决这一问题的良好途径便是向嵌入式系统引入可编程能力，以使得系统能够根据用户的不同要求实现对不同应用的支持。
为了向系统中引入可编程能力，我们考虑在系统中嵌入FPGA，因为FPGA 具有下列特点，使得它成为我们的首选：
1.现在的FPGA 的处理能力和逻辑容量已经接近于专用ASIC，功耗也比较低，能够满足
我们系统设计的要求；
2.由于FPGA 具有的可重编程能力，使用了FPGA 的嵌入式系统能够满足各种不同的应用
要求；
从嵌入式系统管理的角度来说，对网络通信的支持也是很有必要的，也是很有特色的一
个应用，因为它使得从远端服务器下载新的应用程序并在本地运行成为可能。为实现对这个功能的支持，我们采用Java 作为软件平台。因为Java 运行在Java 虚拟机之上，它能够下载并执行新的应用程序代码，并且无需在下载后重新启动系统。
综上所述，这个新的嵌入式系统是基于Java 的，有一个FPGA 和标准处理器相连。我们
通过网络下载Java 代码和可以对FPGA 进行编程的比特流。该系统也支持对FPGA 的动态重新配置。为了实现硬件（FPGA）和软件（Java 应用程序代码）之间的通信，又定义了一组本地API，以使得从Java 应用层能够访问到底层的硬件。为了调用这些本地API，采用了Java 本地接口（JNI）。在本文中，将一些Java 函数（Java method）用FPGA 可编程硬件来实现，称之为硬件方法（HW method）。
求。为解决这个问题，本文设计并实现了一种使用Java 作为软件平台的基于FPGA 的可编程嵌入式系统，以实现系统对多种本地应用和网络的支持。
关键词：ASIC, FPGA，HW method，Java
传统的嵌入式系统设计的主要目标是找到一种优化的体系结构来完成单一的，特定的功
能。对这样的系统来说，ASIC 和核心处理器是作为特别的构件模块加以考虑的：设计者根据应用的要求选择适当的ASIC，根据给定的性能要求比如处理器主频，系统稳定性，以及对功耗的要求等选用适当的处理器内核。
然而，在当今移动通信已经进入每个人的生活的今天，现在的嵌入式系统比如PDA 等已
经不同于传统意义上的嵌入式系统了，它们有自己的独特特点。客观需要要求它们能够支持多种应用功能如网页浏览，播放音频/视频文件，以及进行无线网络通信等。
这样看来，传统的设计思路因为只面向单一的应用，无法满足多应用嵌入式系统的需求。
而解决这一问题的良好途径便是向嵌入式系统引入可编程能力，以使得系统能够根据用户的不同要求实现对不同应用的支持。
为了向系统中引入可编程能力，我们考虑在系统中嵌入FPGA，因为FPGA 具有下列特点，使得它成为我们的首选：
1.现在的FPGA 的处理能力和逻辑容量已经接近于专用ASIC，功耗也比较低，能够满足
我们系统设计的要求；
2.由于FPGA 具有的可重编程能力，使用了FPGA 的嵌入式系统能够满足各种不同的应用
要求；
从嵌入式系统管理的角度来说，对网络通信的支持也是很有必要的，也是很有特色的一
个应用，因为它使得从远端服务器下载新的应用程序并在本地运行成为可能。为实现对这个功能的支持，我们采用Java 作为软件平台。因为Java 运行在Java 虚拟机之上，它能够下载并执行新的应用程序代码，并且无需在下载后重新启动系统。
综上所述，这个新的嵌入式系统是基于Java 的，有一个FPGA 和标准处理器相连。我们
通过网络下载Java 代码和可以对FPGA 进行编程的比特流。该系统也支持对FPGA 的动态重新配置。为了实现硬件（FPGA）和软件（Java 应用程序代码）之间的通信，又定义了一组本地API，以使得从Java 应用层能够访问到底层的硬件。为了调用这些本地API，采用了Java 本地接口（JNI）。在本文中，将一些Java 函数（Java method）用FPGA 可编程硬件来实现，称之为硬件方法（HW method）。
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