• مرحله اول: تلاش برای ساخت الف‌لانچر (A-Launcher)

  مفهوم الف‌لانچر

  الف‌لانچر یک لودر برنامه است که قرار بود bytecode  فایل  باینری برنامه میکرو کنترل را مستقیماً روی سخت‌افزار embedded اجرا کند. ایده اولیه این بود که یک مفسر ساده ایجاد کنیم که دستورات میکرو کنترل را یکی یکی خوانده و اجرا کند.

  مشکلات و محدودیت‌ها

  1. محدودیت منابع: سیستم‌های embedded اغلب دارای حافظه RAM بسیار محدود (حتی کمتر از 64KB) هستند

  2. عدم پشتیبانی از ویژگی‌های پیشرفته اوکد : مانند reflection، پرش پرگرمر کانتر به  ادر س مموری کارت یا فلش خارجی برای ، و مدیریت حافظه خودکار

  مرحله دوم: تغییر مسیر به سمت شبیه‌ساز (Simulator)

  دلیل تغییر استراتژی

  با توجه به مشکلات الف‌لانچر، تصمیم به ساخت شبیه‌ساز گرفته شد. شبیه‌ساز این امکان را می‌دهد که قبل از اجرا روی سخت‌افزار واقعی، برنامه را روی کامپیوتر میزبان تست و اشکال‌زدایی کنیم.

  معماری شبیه‌ساز چیپ به روی چیپ

  ایده اصلی ایجاد یک شبیه‌ساز از پردازنده embedded بود که روی کامپیوتر میزبان اجرا می‌شد. که با تغیراتی کد شبیه ساز روی همان چیپ اجرا شود اما این روش مشکلات خاص خود را داشت:

  1. شبیه‌سازی سطح پایین: نیاز به شبیه‌سازی دقیق سخت‌افزار داشت

  2. عدم تطابق با نیازهای  برنامه ها: شبیه‌سازهای عمومی نمی‌توانستند نیازهای خاص اجرای برنامه را برآورده کنند

  3. کارایی پایین: شبیه‌سازی هر سیکل پردازنده سنگین بود و نسبت به  برنامه  اصلی روی چیپ گاه  صدها برابر کند تر بود

  مرحله سوم: تجربه با ایمولاتورها (Emulators)

  مطالعه ایمولاتورهای کلاسیک

  برای یافتن راه‌حل به سراغ ایمولاتورهای معروف مانند NES، Sega و Atari رفتیم.  امولاتورها ابزاری بریا اجرای کدهای یک پلتفرم در پلتفرم دیگر هستند  مثال امولاتور اتاری ۸ بییتی که برای سیستم ویندوز لینوکس نوشته شده این ای ملاتورها برای ای اس پی ۳۲  هم نوشته شده حتی میتوند کد اون در کانال تلگرام te.me/hadipic   ببینیداین ایمولاتورها چند درس مهم به ما دادند.

  دروس کلیدی از ایمولاتورها:

  1. دسترسی مستقیم به سخت‌افزار: ایمولاتورها نشان دادند که دسترسی مستقیم به منابع سخت‌افزاری چقدر مهم است

  2. بهینه‌سازی‌های خاص: تکنیک‌هایی مانند JIT (Just-In-Time) compilation در برخی ایمولاتورها استفاده می‌شد

  3. مدیریت حافظه کارآمد: روش‌های هوشمندانه برای مدیریت محدودیت‌های حافظه

  اما یک مشکل اساسی:

  ایمولاتورها عمدتاً با زبان اسمبلی سطح پایین نوشته شده بودند که:

  • نگهداری و توسعه آن سخت بود

  • انتقال به معماری‌های مختلف دشوار بود

  • پیاده‌سازی ویژگی‌های پیشرفته جاوا تقریباً غیرممکن بود

  مرحله چهارم: تصمیم نهایی – ساخت ماشین مجازی جاوا

  چرا ماشین مجازی جاوا؟

  1. سطح انتزاع مناسب: JVM لایه مناسبی بین سخت‌افزار و برنامه ارائه می‌دهد

  2. قابلیت حمل: bytecode جاوا روی هر پلتفرمی قابل اجراست

  3. امنیت: مدل امنیتی جاوا برای embedded سیستم‌ها مناسب است

  معماری هسته‌های Embedded: ARM Cortex-M و  و Xtensa LX7 وRISC-V

  هسته‌های ARM Cortex-M (ARMv7-M/ARMv6-M)

  • معماری 32-bit با دستورالعمل‌های Thumb-2

  • مناسب برای سیستم‌های embedded با  تنسیلیکا مصرف انرژی پایین

  • پشتیبانی از امکانات real-time

  • مدیریت حافظه محدود (MMU ندارد اما MPU دارد)

  هسته‌های RISC-V

  • معماری open-source و بسیار قابل تنظیم

  • امکان حذف ویژگی‌های غیرضروری برای کاهش مصرف منابع

  • انعطاف‌پذیری بالا برای سفارشی‌سازی

  طراحی ماشین مجازی جاوا برای Embedded

  الزامات طراحی

  1. حافظه کم: باید با کمتر از 128KB RAM کار کند

  2. سرعت قابل قبول: نیاز به تکنیک‌های بهینه‌سازی خاص

  3. پشتیبانی از زیرمجموعه جاوا: نه تمام استاندارد جاوا

  معماری پیشنهادی

  1. مترجم بهینه‌شده (Optimized Interpreter)

  • تفسیر bytecode با lookup table بهینه

  • کش کردن دستورات پرتکرار

  • پیش‌برد (prefetching) bytecode

  2. مدیریت حافظه سبک‌وزن

  • Garbage Collector سبک با pause time کوتاه

  • تقسیم‌بندی heap به مناطق مختلف

  • استفاده از حافظه غیرفرار (flash) برای ذخیره کلاس‌ها

  3. پشتیبانی از زیرمجموعه Java ME

  • مجموعه محدودی از کلاس‌های استاندارد

  • پشتیبانی از profile‌های خاص embedded

  4. ارتباط با سخت‌افزار بومی

  • مکانیزم JNI سبک‌وزن

  • دسترسی مستقیم به رجیسترها

  • مدیریت وقفه‌ها (interrupts)

  چالش‌های فنی و راه‌حل‌ها

  چالش ۱: محدودیت حافظه

  راه‌حل:

  • فشرده‌سازی کلاس‌فایل‌ها

  • اشتراک‌گذاری رشته‌های ثابت

  • lazy loading کلاس‌ها

  چالش ۲: کارایی

  راه‌حل:

  • Ahead-of-Time compilation برای متدهای حیاتی

  • بهینه‌سازی bytecode در زمان بارگذاری

  • استفاده از دستورالعمل‌های DSP پردازنده

  چالش ۳: Real-time بودن

  راه‌حل:

  • Garbage Collector قابل پیش‌بینی

  • اولویت‌بندی threadها

  • مدیریت زمان‌بندی دقیق

  پیاده‌سازی عملی

  مراحل توسعه:

  1. انتخاب زیرمجموعه جاوا: Java ME Embedded Profile

  2. پیاده‌سازی هسته مفسر: نوشته شده با C برای کارایی

  3. مدیریت حافظه: GC با mark-and-sweep بهینه‌شده

  4. پورتینگ: انتقال به ARM Cortex-M و تنسیلیکا و RISC-V

  5. بهینه‌سازی: تنظیم برای سخت‌افزار خاص

  ابزارهای توسعه:

  • کامپایلر GCC با هدف‌گیری  و  و ریسک وی و تنسیلیکا esp32 ,ARM

  • شبیه‌ساز شبیه به   QEMU برای تست

  • پروگرم کردن روی برد واقعی  برای دیباگ روی سخت‌افزار واقعی

  نتیجه‌گیری و آینده

  مسیر از الف‌لانچر ساده تا ماشین مجازی کامل نشان‌دهنده تکامل تفکر در مواجهه با چالش embedded است. امروزه چندین پروژه موفق در این زمینه وجود دارد:

  1. MicroEJ: برای سیستم‌های بسیار محدود

  2. Jaluna: با تمرکز بر real-time بودن

  3. OpenJDK برای Embedded: نسخه‌های تخصصی

  درس‌های کلیدی:

  • ساده شروع کنید: از الف‌لانچر آغاز کردیم

  • تست و ارزیابی: شبیه‌ساز و ایمولاتور به درک بهتر کمک کردند

  • انتخاب معماری مناسب: ماشین مجازی بهترین تعادل را ارائه داد

  • بهینه‌سازی برای هدف: embedded نیازمند تفکر متفاوتی است

  این مسیر نه تنها برای جاوا، بلکه برای هر تکنولوژی‌ای که بخواهد از embedded به enterprise گسترش یابد، آموزنده است. کلید موفقیت در درک عمیق محدودیت‌های embedded و یافتن راه‌حل‌های خلاقانه برای غلبه بر آنهاست.

  اجرای برنامه‌ها مستقیماً از روی مموری‌کارت (SD Card، MicroSD، Flash External) برای میکروکنترلرها یک پارادایم جدید در توسعه سیستم‌های embedded است. این رویکرد محدودیت‌های سنتی حافظه داخلی میکروکنترلرها را کنار زده و امکانات جدیدی ارائه می‌دهد.

  مزایای اجرا از مموری‌کارت

  اجرای برنامه ها از روی مموری کارت برا میکروکنترلرها ماشین مجازی جاوا برای سیستم‌های Embedded

  

  1. گسترش نامحدود حافظه برنامه

  • رفع محدودیت Flash داخلی: برخی میکروکنترلرها تنها 256KB تا 1MB حافظه Flash دارند

  • اجرای برنامه‌های بزرگ: مانند مفسرها، رابط‌های کاربری گرافیکی پیچیده، کتابخانه‌های بزرگ

  2. به‌روزرسانی آسان و ایمن

  • OTA بدون نیاز به اینترنت: تنها با تعویض مموری‌کارت

  • نگهداری چندین نسخه: امکان نگهداری چندین نسخه از برنامه روی یک مموری

  • Rollback آسان: در صورت بروز مشکل، بازگشت به نسخه قبلی

  3. انعطاف‌پذیری در توسعه

  • تست آسان: بدون نیاز به برنامه‌ریزی مجدد میکروکنترلر

  • توزیع ساده: ارسال به‌روزرسانی‌ها روی کارت حافظه

  • سفارشی‌سازی: پیکربندی‌های مختلف برای کاربردهای مختلف

EVM Launcher برای تنسیلیکا

 معماری یک سیستم عامل سبک با ماشین مجازی جاوااسکریپت برای ESP32 :

چکیده

EVM Launcher یک سیستم عامل سبک و نوآورانه برای تمامی میکرو کنترلها از جمله  میکروکنترلر ESP32 است که امکان اجرای امن و کارآمد برنامه‌های جاوااسکریپت JavaScript و QML  و Phyton را از روی کارت حافظه , فلش خارجی رم و حتی  از شبکه فراهم می‌کند. این سیستم از یک ماشین مجازی جاوا  و رابط (EVM) برای اجرای امن برنامه‌ها استفاده می‌کند.را از طریق یک ماشین مجازی پیشرفته در این پروژه با هدف ایجاد پلتفرمی منعطف برای توسعه برنامه‌های embedded بدون نیاز به کامپایل مجدد طراحی شده است.

معماری کلی سیستم

هسته دوگانه و توزیع هوشمند وظایف

سیستم از قابلیت‌های دو هسته‌ای ESP32 به صورت بهینه استفاده می‌کند:

هسته اصلی (PRO CPU):

• مدیریت رابط کاربری گرافیکی با LVGL

• کنترل ورودی‌های کاربر (دکمه‌ها)

• اسکن و مدیریت برنامه‌های نصب شده

• هماهنگی کلی سیستم

هسته برنامه (APP CPU):

• اجرای ماشین مجازی جاوااسکریپت (موتور MuJS)

• پردازش برنامه‌های کاربر

• مدیریت ماژول‌های سخت‌افزاری

• پردازش موازی بدون وقفه در رابط کاربری

سیستم مدیریت حافظه پیشرفته

با استفاده از SPI RAM خارجی، سیستم حافظه به صورت لایه‌بندی شده مدیریت می‌شود:

1. حافظه داخلی: برای داده‌های حیاتی و پرتکرار

2. SPI RAM: برای برنامه‌های کاربر و داده‌های حجیم

3. حافظه کش: برای بهینه‌سازی دسترسی‌های متوالی

معماری ماژولار

سیستم بر پایه ماژول‌های مستقل و قابل توسعه بنا شده:

ماژول‌های اصلی:

• ماژول گرافیک: رابط کاربری مبتنی بر LVGL

• ماژول شبکه: اتصالات WiFi، FTP، HTTP، MQTT

• ماژول سخت‌افزار: کنترل GPIO، ADC، PWM، I2C

• ماژول فایل سیستم: مدیریت فایل‌ها و ذخیره‌سازی و ماژولهای کار با json

• ماژول زمان‌بندی: تایمرها و مدیریت وقایع

مکانیزم اجرای برنامه‌ها رابط (EVM)

فرآیند بارگذاری و اجرا

1. شناسایی: سیستم به صورت خودکار فایل‌های JavaScript را در کارت حافظه اسکن می‌کند

2. اعتبارسنجی: بررسی سینتکس و مجوزهای دسترسی برنامه

3. آماده‌سازی: تخصیص منابع مورد نیاز در حافظه SPI RAM

4. اجرا: انتقال کنترل به هسته برنامه برای پردازش

5. نظارت: پایش مصرف منابع و عملکرد در حین اجرا

محیط امن اجرا (Sandbox)

هر برنامه در یک محیط ایزوله اجرا می‌شود که:

• دسترسی محدود به سخت‌افزار دارد

• نمی‌تواند بر اجرای برنامه‌های دیگر تأثیر بگذارد

• منابع اختصاص یافته پس از پایان برنامه آزاد می‌شوند

سیستم فایل و مدیریت برنامه‌ها

ساختار سلسله مراتبی