[Из песочницы] uJVM: платформа для запуска Java-приложений на микроконтроллерах (MCU)04.07.2019 13:50

ИллюстрацияДобрый день, уважаемые хабровчане. В этом цикле статей я попытаюсь рассказать Вам о Java Virtual Machine и запуске Java программ на микроконтроллерах. Тема достаточно спорная: Зачем Java на микроконтроллерах, где и так мало ресурсов? Лучше нативного кода написаного на чистом С, ничего нет, даже на плюсах мало кто пишет! И т.д. Сразу скажу, сам задавал себе эти вопросы и не один раз. Мой ответ такой: Кто хочет попробовать, на что способно железо; понять, как работает JVM; увидеть интересный подход к построению мультиплатформенного проекта; внести свой вклад в Open Source; или просто побаловаться — все на борт, корабль по имени uJVM отправляется в плавание! Те кто уже настроился критиковать, смотрите как «Титаник» отправился в путь, надеюсь на Вашу лояльность!


Введение


Для затравки предлагаю Вам посмотреть видео ниже.


Если я правильно понял, то описанный в видео продукт состоит из OS, JVM и библиотек. Запускается он на многих контроллерах (можно посмотреть другие видео данной компании). Но решение оказалось закрытым, а мне захотелось попробовать поэкспериментировать. Я начал искать альтернативу. И выбрал uJVM — исходники открыты, легко скомпилировать и запустить, можно принять участие в разработке.

В первой статье я кратко расскажу об архитектуре, процессе загрузки исходного кода, настройке окружения и получении первого результата: скомпилированные JVM и традиционное первое приложение HelloWorld.java, которые мы запустим на платформе x86_64. В последующих статьях перейдем к самому главному — запуску uJVM на микроконтроллерах разных архитектур, портированию на новые платформы, добавлению новых Java и native классов. Итак, начнем.

uJVM


uJVM была разработана в соответствии с общей архитектурой, описанной в The Java Virtual Machine Specification Java SE 7 Edition и ее можно разделить на 3 части:

  • Class loader Загрузчик классов uJVM — может загружать содержимое классов, хранящихся в .class или .jar файлах в память, выполнять связывание и инициализацию.
  • Managed memory areas uJVM поддерживает потоки, хранение специальных регистров, выделение памяти для стеков, кучи и потоков.
  • Execution engine. Из-за жестких ограничений на объем памяти, в uJVM в качестве механизма выполнения используется только интерпретатор байт-кода — JIT-компилятор не реализован. Движок uJVM предоставляет доступ к коду Java, H/W драйверам (например, UART, GPIO и SysTick для большинства платформ) и нативным методам.


На данный момент uJVM доступна для следующих H/W платформ:

image

Тажке uJVM может быть легко портирована в качестве приложения под различные RTOS, например:


—, но об этом я раскажу в другой серии статей.

uJVM — реализация JVM с открытым исходным кодом для встраиваемых систем с ограниченными ресурсами. Самая простая конфигурация требует ~6 KB RAM для исполнения и ~45 KB Flash ROM для хранения. Система сборки позволяет разработчику настраивать uJVM, отключая ненужные функции для экономии ресурсов или включения поддержки определенных H/W-драйверов (например, использование FPU для ускорения вычислений с плавающей запятой и т.д.). Давайте посмотрим, как ее собрать и запустить…

Настройка окружения и загрузка исходного кода


1. Установка необходимых Linux пакетов


Для сборки uJVM я использую дистрибутив на основе Ubuntu 16.04, но Вы можете использовать любой другой дистрибутив Linux. Необходимо установить следующие пакеты: 

$ sudo apt-get install git gcc make openjdk-8-jdk-headless gperf flex bison libncurses5-dev texinfo g++ curl pkg-config autoconf libtool libtool-bin libc6:i386 libc6-dev:i386 gcc-multilib doxygen doxygen-gui


2. Указание расположения компилятора Java (значение переменной JAVA_HOME)


Учтите, что папка, в которой находится компилятор Java (javac), должна быть известна системе сборки, для этого Вам следует (согласно инструкциям из документации Oracle Java) установить переменную окружения, указывающую на компилятор. В качестве альтернативы Вы можете использовать команду shell: 

$ export JAVA_HOME = _java_compiler_directory_


В приведенной выше команде _java_compiler_directory_ не должен включать конечную папку bin; например, если компилятор находится в папке /usr/bin, в качестве значения JAVA_HOME должно быть указано /usr. Если Вы хотите навсегда присвоить это значение переменной JAVA_HOME для всех пользователей системы, Вы можете использовать следующую команду для добавления этой переменной в файл /etc/environment: 

$ echo "JAVA_HOME=\"/usr\"" | sudo tee -a /etc/environment


Того же эффекта можно добиться, добавив переменную JAVA_HOME в файл /etc/profile с помощью следующей команды: 

$ echo  "export JAVA_HOME=\"/usr\"" | sudo tee -a /etc/profile


После использования любой из этих команд Вам необходимо выйти из оболочки и войти снова, чтобы новое значение переменной среды вступило в силу.

3. Сборка kconfig-frontends под Linux (optional)


Подготовка kconfig-frontends для Linux — это быстрый и простой процесс, похожий на подготовку любого программного обеспечения с использованием autotools.

Обычно весь процесс сводится к скачиванию архива с исходным кодом, распаковке и запуску: 

$ ./configure && make && sudo make install


3.1 Загрузка и распаковка исходного архива

$ curl -O http://ymorin.is-a-geek.org/download/kconfig-frontends/kconfig-frontends-3.12.0.0.tar.xz
$ tar -xf kconfig-frontends-3.12.0.0.tar.xz
$ cd kconfig-frontends-3.12.0.0


3.2 Патч
Если в вашей системе установлен gperf 3.0.4 или более ранней версии, Вы можете смело пропустить этот пункт.

gperf 3.1 (выпущен 5 января 2017 года) изменил тип, используемый в качестве аргумента длины в сгенерированных функциях, с unsigned int на size_t. Это приведет к сбою сборки со следующим сообщением об ошибке: 

CC     libkconfig_parser_la-yconf.lo
    In file included from yconf.c:234:0:
    hconf.gperf:141:1: error: conflicting types for 'kconf_id_lookup'
    hconf.gperf:12:31: note: previous declaration of 'kconf_id_lookup' was here
     static const struct kconf_id *kconf_id_lookup(register const char *str, register unsigned int len);
                                   ^~~~~~~~~~~~~~~
    make[3]: *** [Makefile:456: libkconfig_parser_la-yconf.lo] Error 1
    make[2]: *** [Makefile:350: all] Error 2
    make[1]: *** [Makefile:334: all-recursive] Error 1
    make: *** [Makefile:385: all-recursive] Error 1


Процедура исправления ниже: 

$ curl -O https://gist.githubusercontent.com/KamilSzczygiel/d16a5d88075939578f7bd8fadd0907aa/raw/1928495cfb6a6141365d545a23d66203222d28c0/kconfig-frontends.patch
$ patch -p1 -i kconfig-frontends.patch
$ autoreconf -fi


3.3 Настройка
Рекомендуемый набор опций для настройки kconfig-frontends: 

$ ./configure --enable-conf --enable-mconf --disable-shared --enable-static


3.4 Компиляция и установка

$ make
$ sudo make install
$ sudo strip /usr/local/bin/kconfig-*


4. Клонирование репозитория uJVM

$ git clone https://github.com/Samsung/uJVM.git


Компиляция uJVM


Выберите PLATFORM x86_64_linux. После этого создайте контекст с параметрами конфигурации по умолчанию командой: 

$ cd uJVM/
$ make PLATFORM=x86_64_linux create_context


Включаем приложение HelloWorld.java в сборку. Для этого запускаем конфигуратор: 

$ make menuconfig


Переходим в меню приложений

hg9mfmgfxairbuii_cl34pfmyac.png

и выбираем «Hello world example»

hie-rrkgm04h2jj42eaw7aei-ve.png

После этого HelloWorld.java будет включен в сборку 

/**
 * @file		japps/hello_world/HelloWorld.java
 * @brief		Example how to use String and SysLog classes
 *
 * @copyright	Copyright (c) 2018 Samsung Electronics Co., Ltd. All Rights Reserved.
 * @author		Taras Drozdovskyi t.drozdovsky@samsung.com
 *
 * Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License"); you may not
 * use this file except in compliance with the License. You may obtain a copy of
 * the License at
 *
 * http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
 *
 * Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
 * distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS, WITHOUT
 * WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied. See the
 * License for the specific language governing permissions and limitations under
 * the License.
 */

import ujvm.lang.*;

public class HelloWorld {
	public static void main() {

		SysLog.log("Hello world!\n");

		String hello = "Hello world!\n";
		SysLog.log(hello);

		byte[] bytes = { 'H', 'e', 'l', 'l', 'o', ' ', 'w', 'o', 'r', 'l', 'd', '!', '\n' };
		String str = new String(bytes);
		SysLog.log(str);
	}
}


Пускай Вас не смущает SysLog.log(str) — это низкоуровневая функция вывода, аналог System.out.println(str). Стандартные билиотеки Java в uJVM пока еще не реализованы, но надеюсь это изменится — возможно, именно благодаря Вам!

Сохраняем и компилируем: 

$ make


И наконец, запускаем! 

$ make run


jtbjo1-xc5zzyxqkrksywl0csug.png

Можете дальше эксперементировать, подключая другие приложения!

В следующей статье начнем расмотрение запуска uJVM непосредственно под микроконтроллеры. Если руки зачесались, то Вы можете и сами начинать эксперементы, пользуясь инструкциями, которые можна найти в репозитории.

© Habrahabr.ru