嵌入式Java会在下一代移动电话、智能卡、无线设备、游戏装置及其他许多嵌入式应用中扮演重要角色，关键在于选择哪一种实现方法。
Java
自从推出以来一直备受关注，不过在嵌入式系统设计师看来，其性能并不能令人满意。运行Java虚拟机（JVM）解释Java字节码这种方式对大多数嵌入式
应用来说占用空间过多，运行速度过慢。不过Sun的Java 2 Micro Edition（J2ME）改变了这种状况。
对嵌入式系统
设计师来说，Java有许多优点。作为一门编程语言，Java允许面向对象编程，又没有C++中存在的严重问题。例如，Java允许类继承，但不允许来自
多个父类，这就排除了产生混淆的可能；同样，Java防止了C++定义运算符时允许出现的不确定性。Java运行时环境还提供了有用属性，它通过先检查
JVM中的代码然后再执行来确保应用程序不会相互干扰，以及整个系统不会崩溃，如果代码试图改变系统的核心行为，它就无法运行。Java提供的内存管理功
能使得编程人员不必分配及释放内存，避免了内存泄露的可能，它还能通过垃圾收集方法，自动释放闲置内存。运行时环境甚至可以通过整合核心类库来简化程序分
配。
此外，Java在业界得到了广泛支持，这意味着有众多资源可以利用，包括小应用程序和经验丰富的编程人员，从而每次编写新应用程序无
需重复性工作。
但在上述这些优点之外，Java用于嵌入式开发的问题在于，大多数嵌入式应用面临Java没有处理好的两大约束：没有足够
的空间和时间。
Java开发的时间和空间约束
之所以会有时间上的约束，是嵌入式系统通常必须在短时间内对外部事件做出响
应，如果系统在下一个事件出现前没有处理好前一个事件，就无法完成任务。
时间上的约束还意味着需要确定性。设计师依靠软件元素，在已知或
者有限的时间内完成各自的任务，本身没有时间限制的任务（如等待循环）在执行时间攸关的任务时，能够暂停挂起。
嵌入式开发的空间约束来自
对成本和便携性的需求。设计师需要尽量少用内存，往往使得设计受微控制器的片上内存资源的制约。但这也有助于降低功耗，这是电池供电的便携系统所考虑的一
个重要因素。
在这些时间和空间的约束下Java很难正常工作。Java软件环境要与操作系统协同工作，并使用Java虚拟机把Java字
节码转换成系统处理器的本机语言。它还需要相当大的类库，作为核心系统的一部分。这两种因素大大增加了对系统内存的需求。
Java的解释
码运行起来本身就不如编译码快，这样一来，系统更难满足实时约束条件了。速度更快的处理器或许能帮上忙，但功耗因素往往使得嵌入式系统无法使用更快的处理
器。就算系统足够快，Java的垃圾收集算法也没有时间限制、不可中断，就不可能获得确定性。
J2ME定义两类Java
对
于Java在嵌入式开发中遇到的问题，J2ME可以解决其中的一部分。办法是缩减类库大小，并且改变垃圾收集算法。J2ME定义了两类Java：连接设备
配置（CDC）和连接有限设备配置（CLDC），让Java得以适用于诸多嵌入式系统，如下表所示。这些Java取代了较旧的嵌入式Java，而旧版本实
际上是用于定制应用的非标准版本的Java。
CDC
是一种功能齐全的Java，面向配有网络连接、32位处理器和供Java平台使用的2MB内存的设备。这个版本的Java允许设备以类似桌面机的方式，下
载及运行通用的小应用程序。PDA、家用电器和汽车导航系统就是适合的目标应用。
CLDC是一种精简版的
Java，面向运行时环境更加定制的应用。CLDC并不允许运行通用小应用程序，而是要求Java程序符合设备的约束条件。这样一来，Java“编写一
次、到处运行”的优势也就无从谈起，不过它仍保留了Java编程的其他优点。CLDC及其K虚拟机需要160KB的内存和16MHz的16位处理器。
Sun利用这两种配置，开发出了符合许多嵌入式系统设计空间约束的标准Java配置，Java社区制订的实时Java规范使得
实时和确定性问题迎刃而解。实时Java规范（RTSJ）V1.0提供了Java平台的标准扩展部分，并且改动了垃圾收集算法，确保了Java提供许多嵌
入式应用所需的确定性。
这就只剩下原始性能问题还没有加以解决。解决办法来自行业提高Java执行速度的一系列
方法，包括使用优化的JVM、执行前先把Java代码编译成本机码，使用及时（JIT）编程器以及使用硬件加速，每种方法各有优缺点。
与普通JVM相比，优化的JVM通常可以把执行速度提高2～2.5倍。不过，这种优化要针对特定处理器。提供优化的JVM的厂商
可能还会提供优化的类库和实时操作系统，能够与JVM密切合作，进一步提高软件性能。
不管有没有经过优化，使用
JVM仍需要解释工作，这就限制了程序的执行速度。把Java代码编译成本机码、然后再执行可以避免这种限制。这种情况下，Java成了类似C++的另一
种高级语言，限制执行速度的因素完全取决于编译器的代码效率。问题在于，与其他高级语言一样，必须在把代码植入程序内存之前，先进行这种编译，结果导致系
统缺乏灵活性，无法下载升级的Java代码或者是新的应用程序。
及时编译器力求通过“高速”编译Java代码以
便可以立即执行，重新获得这种灵活性。这带来了高性能和灵活性，但也增加了特定应用程序的启动时间，因为需要先开始编译。由于至少占用100KB的内存
（加上JVM和应用程序所需内存），使用及时编译器还加大了对系统内存的需求。
硬件加速Java
为了加快Java执行，又避开编译或者软件JVM的缺点，嵌入式开发人员可以求助于硬件加速器。这种设备把
JVM的部分或者全部任务转交给专用硬件去处理，因而性能比解释的Java提高了5～10倍。不过，硬件加速器并不接管所有任务，主机CPU仍处理特别复
杂或者很少使用的字节码。
半导体厂商采用了几种方法，通过硬件来加快Java的执行速度，致力于不同任务。
一种是使用硬件解释器。该解释器把进来的Java代码的大部分转化成本机码，从而给JVM省去了麻烦。例如Nazomi的
Jstar、InSilicon的JVX和ARM的Jazelle。大多数情况下，解释器拥有硅知识产权，这实际上扩大了处理器的指令集。
另一种方法就是使用协处理器。协处理器不仅解释字节码，还执行由此生成的机器码，让CPU完全得到解放。协处理器实际上是一种
处理器，使用Java字节码作为本机机器语言。有些协处理器如InSilicon公司的JVXtreme是纯粹的协处理器，而有些协处理器如Aurora
VLSI公司的Espresso和DeCaf可以充当协处理器或者独立处理器，这样在另一个CPU处理用户界面等事务时，可以处理Java代码。
Ajile公司的aJ-100、DCT公司的Lightfoot和Zucotto公司的Xpresso都是协处理器。与解释器一样，这些协处理器往往作为
用于ASIC或者FPGA实现的核心。
第三种方式是利用硬件及时编译器高速编译Java字节码。这种设备有别于
硬件解释器，它不仅仅把软件从一种形式转换成另一种形式，实际上还能够编译，包括进行优化、重新安排代码执行次序等。Parthus公司的
MachStream就属于这一类。
有了这一系列加快Java代码执行速度的软硬件方案，嵌入式系统的Java
性能问题似乎可以得到解决了。遗憾的是，很难预测它们会给性能带来多大幅度的提升。加速器与其他系统单元的相互关系更是加大了预测难度。CPU架构、可用
系统内存的数量、实时操作系统（RTOS）、JVM、类库和硬件加速都可能影响系统的最终性能，甚至应用软件也会对性能产生影响。例如适用于
Internet设备的系统软硬件配置在机顶盒里面运行起来可能会比较慢，在移动电话上就完全不适合。
遗憾的
是，嵌入式设计师没有多少工具可以帮助自己测试非传统配置的性能。最有用的工具就是系统性能测试公司开发的SPEC JVM98基准测试。但SPEC
JVM98不是为了满足嵌入式系统的测试需求，而是为联网和独立的客户机开发的，并且前提是假设完全实现了Java，并拥有完整的桌面系统环境，而很少有
嵌入式系统拥有这么丰富的资源。
Pendragon软件公司的CaffeineMark这个基准测试在嵌入式领
域颇为流行。与Dhrystone
MIPS基准测试一样,CaffeineMark也是一种人工基准测试，仅仅测试几项Java特性，不包括浮点运算、垃圾收集和多线程这些项目，而对这些
嵌入式开发人员来说可能很重要。另外，没有标准配置可供基准测试来运行。因而，不同厂商的基准测试结果很难解读。
对
嵌入式Java而言，缺少测试工具问题也许不会长期存在。EDN嵌入式微处理器基准测试协会(EEMBC）已开始开发Java基准测试套件。EEMBC基
准测试准备采用诸多系统测试指标，包括垃圾收集时间和确定性、I/O性能、中断时延、内存使用以及测试过程中的系统功耗。还会包括详细的软件执行基准测
试，测试项目包括类加载时间、类方法执行、所用线程数量、每个线程所用时间、以及调用线程的时间。该协会计划在众多应用环境下进行基准测试，包括智能卡、
移动电话、掌上设备、Internet设备和机顶盒。
一旦这些工具准备到位，就可以根据预期应用来进行比较，从
而大大方便了开发人员选择嵌入式Java的诸多方案、确保系统的最终性能能够达到预期。那样，Java可以在将来的嵌入式系统开发当中扮演主角。