JOP: a Java optimized processor for embedded real-time systems

Abstract

Eingebettete Systeme werden zur Zeit vorwiegend in C/C++ oder auch noch in Assembler programmiert. Viele Vorteile der Programmiersprache Java, wie z.B. sichere Objektreferenzen, die Notation von Nebenläufigkeit in der Sprache und auch die Portabilität der Sprache, könnten die Entwicklung dieser Systeme vereinfachen und auch die Sicherheit dieser Systeme erhöhen. Jedoch erschwert die mangelnde Echtzeitfähigkeit von Standard Java den Einsatz in eingebetteten Systemen.<br />Diese Arbeit beschreibt den Entwurf eines echtzeitfähigen Java Prozessors. JOP (Java Optimized Processor) ist die Realisierung der Java virtual machine in Hardware. JOP ist für den Einsatz in eingebetteten, echtzeitfähigen Systemen entworfen und ist in einem `Field Programmable Gate Array' implementiert. Diese Arbeit zeigt, dass eine Hardwarerealisierung der Java virtual machine zu einem kleinen System führt, das auch für Applikationen mit rigiden Ressourcebeschränkungen geeignet ist.<br />Moderne Prozessoren weisen Architekturmerkmale auf (wie z.B.<br />Parallelverarbeitung, Cachespeicher und Sprungvorhersage), die vor allem die durchschnittliche Rechenleistung erhöhen. Diese Architekturmerkmale erschweren jedoch die `Worst-Case Execution Time' (WCET) Analyse und führen zu pessimistischen WCET Abschätzungen. Diese Arbeit geht einen anderen Weg -- Es wird eine Prozessorarchitektur vorgestellt, für die eine einfache und genauere WCET Analyse wichtiger ist als die durchschnittliche Rechenleistung.<br />Diese Arbeit untersucht die Probleme, die sich bei der Verwendung von Java in Echtzeitsystemen ergeben. Standard Java wird um eine Spezifikation für Echtzeitsysteme erweitert. Die Integration des echtzeitfähigen Schedulers mit dem Prozessor führt zu einer effizienten Plattform für Java in eingebetteten Echtzeitsystemen.<br />Der vorgestellte Prozessor und die Spezifikation für echtzeitfähiges Java wurden erfolgreich in mehreren kommerziellen Echtzeitsystemen eingesetzt.<br />

Current software design practice for embedded systems is still archaic. C/C++ and even assembler are used on top of a small real-time operating system. Many of the benefits of Java, such as safe object references, the notion of concurrency as a first-class language construct, and its portability, have the potential to make embedded systems much safer and simpler to program. However, Java technology is seldom used in embedded systems, due to the lack of acceptable real-time performance.<br />This thesis presents a Java processor designed for time-predictable execution of real-time tasks. JOP (Java Optimized Processor) is the implementation of the Java virtual machine in hardware. JOP's primary implementation technology is in a field programmable gate array. This research demonstrates that a hardware implementation of the Java virtual machine results in a small design for resource-constrained devices.<br />Architectural advancements in modern processor designs increase average performance. However, these features complicate worst-case execution time analysis and lead to very conservative WCET estimates. This thesis tackles this problem from the architectural perspective -- by introducing a processor architecture in which simpler and more accurate WCET analysis is more important than average case performance.<br />This thesis evaluates the issues surrounding the use of standard Java for real-time applications. In order to overcome some of the issues with standard Java, a profile for real-time Java is defined.<br />The proposed processor and the Java real-time profile have been used with success to implement several commercial applications.