Kaffe在龙芯2E上的移植_辛博坤

0引言
Java 自 95 年被推出以来，经历十几年的发展，已成为主 流开发语言。据调查显示，Java 在 Web 应用开发上占 57.9%的 份额，在移动或嵌入式开发上占 15%，在 C/S 开发上占 11.7%， 系统编程占 15.4%。Java 虚拟机作为 Java 程序的底层运行平 台已经成为操作系统不可缺少的组成部分。龙芯 2E 微处理 器是一款实现 64 位 MIPSⅢ指令集的通用 RISC 处理器，属龙 芯第二系列，主要面向桌面应用。由于采用 MIPS 指令集，现 有 Java 虚拟机对龙芯 2E 的支持并不理想：目前主流的商业化 Java 虚拟机厂商是 Sun、IBM 和 Bea。IBM 推出的 SDK 只支持 Intel、iSeries 和 zSeries 等平台 [1]。Sun 目前推出了针对嵌入式 平台的 Java 虚拟机，其中包含了支持 MIPS 指令集的试用版。 但经本文在龙芯 2E 上进行实际测试，发现目前的试用版本在 龙芯上运行情况并不稳定。Bea 的 JRockit 是目前公认性能最
收稿日期：2009-03-02；修订日期：2009-06-26。 基金项目：国家 863 高技术研究发展计划基金项目 (2006AA010201)；国家十一五国防预研基金项目。 作者简介：辛博坤 (1982－)，男，吉林长春人，硕士研究生，研究方向为操作系统； 王永吉 (1962－)，男，辽宁盖州人，博士，研究员，博士 生导师，CCF 高级会员，研究方向为实时系统、网络优化、控制理论； 潘远明 (1974－)，男，广西人，硕士，研究方向为软件工程与移动、嵌 入式； 徐帆江 (1973－)，男，北京人，博士，研究员，研究方向为天基综合信息网和计算机仿真。E-mail：xinbokun@
(2) Verifier 完成对 Java 代码的验证，验证过程分为静态约 束检查和结构约束检查两个部分。其中静态约束检查确定 Java 字节码在 code 数组中的布局是否正确以及操作数是否匹配；结 构约束检查确定 Java 字节码间的结构关系是否合乎要求[2]。
(3) Threads 完成 Java 线程到本地线程的映射，并实现线程 同步机制。针对 linux 操作系统，Kaffe 提供了两种线程模型： 用户线程模型和 pthread 线程模型。其中 pthread 线程模型依 赖于 pthread 线程库，运行效率更高。
Class
MesCallMethod
JIT
Kaffe-GC
KaffeVM
Threads
Trampoline
JNI
Java libraries/GNU Classpath
图 1 Kaffe 虚拟机结构
(1) KaffeVM 是整个虚拟机的框架，协调其它模块，组织 Kaffe 的运行过程。
这 里 在 移 植 时 还 需 要 注 意 保 证 参 数 地 址 对 齐 。由 于 龙 芯 属于 RISC 架构，要求数据在内存中对齐。而寄存器实际是内 存 的 映 射 ，所 以 参 数 在 寄 存 器 中 也 应 是 对 齐 的 。 即 长 整 型 的 参数只能存储在 a0 和 a1 上或 a2 和 a3 上。如果不满足上述条 件需要引入空数据补位。 2.3 龙 芯 下 的 栈 结 构
2 龙芯 2E 的特点及软件编程规范
式 ：立 即 数 指 令 、跳 转 指 令 和 寄 存 器 指 令 。 按 功 能 划 分 ，龙 芯 2E 的指令集又可分为：访存指令、运算指令、分支指令、协作 指 令 、异 常 指 令 和 特 殊 指 令 。
龙芯 2E 在兼容 MIPS 指令集的基础上又新引入了 12 条 运算指令[4]。引入这 12 条指令是为了加快数学运算的处理速 度。以整型乘法运算为例，如果采用传统的 MIPS 指令，需要 用 3 条机器指令实现：先用一条 mult 指令计算两个寄存器中 数据的乘法结果，再用 mflo 和 mfhi 这两条指令从 lo 和 hi 这两 个特殊的寄存器中取出结果。而龙芯的 multg 指令直接将乘 法 结 果 存 放 在 通 用 寄 存 器 中 ，这 样 整 个 乘 法 运 算 只 需 要 一 条 机器指令就可实现。 2.2 龙 芯 下 的 参 数 传递 机 制
辛博坤，王永吉，潘远明，等：Kaffe 在龙芯 2E 上的移植
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出移植所需的工作；介绍了龙芯 2E 的特点和移植相关的修改 工 作 ；最 后 给 出 对 移 植 后 虚 拟 机 的 测 试 结 果 。
1 Kaffe 虚拟机结构分析
Kaffe 虚拟机的结构如图 1 所示，主要包含 8 个功能模块：
按照 MIPS o32 ABI 的规范[5]，龙芯下的参数传递由栈和寄 存器共同完成：其中前 16 个字节的参数由寄存器来传递。超 过 16 字节的数据通过栈来传递。前 16 字节的参数或者被映 射到定点寄存器 a0-a3 或者被映射到浮点寄存器 f12、f14，依参 数 类 型 决 定 。 函 数 栈 中 对 应 位 置 的 内 存 需 要 保 留 ，值 为 空 。
(7) JNI 提供了底层 JNI 类库所需的编程接口，比如对成员 变 量 的 访 问 ，以 及 对 方 法 的 调 用 等 。 反 射 机 制 的 实 现 需 要 用 到这部分内容。
(8) Kaffe-GC 是 Kaffe 的垃圾收集器。采用的是基于 STW 标记-清理垃圾回收算法 。 [3]
由于采用接口化设计，Kaffe 中的多数代码都可以重用， 只有本地代码调用接口(SysCallMethod)，Trampoline 和 JIT 这 3 个 模 块 和 底 层 平 台 相 关 ，需 要 根 据 龙 芯 的 特 点 重 新 编 写 。 本 文下面将首先介绍龙芯 2E 的特性，然后分别介绍这 3 个模块 在龙芯上的实现。
综合信息系统技术国家级重点实验室，北京 100190)
摘 要：为了在龙芯 2E 处理器上建立稳定的 Java 运行环境，丰富龙芯平台的上层软件库，以 Kaffe 这款开源 Java 虚拟机为移植 对象，分析了其运行机制，确定了其代码结构中平台相关的 3 个主要模块：SysCallMethod、Trampoline 和 JIT，并结合龙芯 2E 处理 器 的 特 点 ，给 出 了 相 关 模 块 的 修 改 方 案 。 最 后 用 第 三 方 的 测 试 标 准 对 移 植 后 的 虚 拟 机 进 行 了 测 试 ，表 明 了 移 植 的 有 效 性 。 关键 词：Java 虚 拟机; Kaffe; 龙芯 2E; MIPS 指令集; 及时 编译器 中图 法分类号：TP311.54 文献标 识码：A 文 章编号：1000-7024 (2010) 02-0330-05
Information System Technology, Institute of Software, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)
Abstract：To build a Java run-time environment on Godson 2E, expand the software library of Godson platform, Kaffe, an open source JVM developed for research work is chose for the Transplantation. By analyzing the structure of Kaffe, the three key modules which depend on the platform are SysCallMethod, Tranpoline and JIT. Based on the features of Godson 2E, the solution of porting for the modules is proposed. The testing result of third party benchmark shows that the solution is feasible and the transplantation is successful. Key words：JVM; Kaffe; Godson 2E; MIPS; JIT
(4) SysCallMethod 实现对 JNI 代码和本地代码的调用，完 成 Java 调用环境到本地调用环境的映射，主要是对函数参数 和返回值进行处理。
(5) JIT 引擎是 Kaffe 的及时编译器，将 Java 代码编译成本 地代码。
(6) Trampoline 是 Kaffe 特有的一个模块。在 JIT 引擎下， 所有 Java 代码在 Kaffe 中都采用编译执行的方式。编译时机 成了 Kaffe 必须解决的问题。Trampoline 的引入使得上层虚拟 机感觉不到 JIT 引擎的存在，同时又保证了只在需要的时候将 调用 JIT 引擎，将 Java 代码编译成本地代码。
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体系结构与外围设备
Kaffe 在龙芯 2E 上的移植
辛博坤 ， 1,3 王永吉 1， 潘远明 2， 徐帆江 4 (1. 中国科学院软件研究所 互联网软件技术实验室，北京 100190；2. 中国科学院软件研究所 基础软件研究中心，北京 100190；3. 中国科学院研究生院，北京 100049；4. 中国科学院软件研究所
好的虚拟机，但同样不兼容 MIPS 指令集。 Kaffe 是最早的开源 Java 虚拟机，也是目前支持平台最多
的 Java 虚拟机，支持 x86、ARM、MIPS、Sparc、CRIS、m68k、S390、 Alpha 等多种处理器。和其它虚拟机的设计理念不同，Kaffe 关 心 的 是 对 多 平 台 的 支 持 性 ，因 此 针 对 具 体 某 个 平 台 的 优 化 不 多 ，而 是 尽 可 地 降 低 模 块 间 的 耦 合 度 ，保 证 了 向 新 平 台 移 植 所 需 的 修 改 降 低 到 最 少 ，同 时 也 保 证 了 在 不 同 硬 件 平 台 上 都 能 稳定运行。因此，本文选择 Kaffe 为移植对象，在龙芯 2E 上构 建 Java 运行环境。Kaffe 现有的版本虽然支持 MIPS 处理器， 但经本文实际测试，其 MIPS 版本无法在龙芯 2E 上运行。因 此，本文摒弃了其原有 MIPS 相关的代码。重新对 Kaffe 代码 进行分析，确定了移植所需的相关工作，并根据龙芯 2E 的特 点，对本地代码调用接口(SysCallMethod)，Trampoline 和 JIT 这 3 个模块进行了修改。移植选用的版本是 Kaffe-1.1.7，硬件实 验平台为福珑 2E 一体机。本文分析了 Kaffe 的代码结构，指