Hardware Native Interface

Java 平台的 native method 大多數以其他語言或組合語言的 library 實做，透過呼叫 這些 library 完成工作並且回傳數值。為了使 Java Thread Class 能正確地操作 ICCU、Thead Manager Unit 或者其他加速電路，在不修改原有 Java 應用程式情況下，我們加入 Hardware Native Interface[2]的設計，這個介面由 DSRU 觸發，使得 native method 的執行 介面達到一致性，如果開發者要為某一個 native method 新增一個等價電路時，便可以簡 單地連接 Hardware Native Interface 的輸出輸入訊號。

Dynamic Symbol Resolution Unit

Method Area Controller

cls_id mthd_id

Bytecode Execution

Engine

RISC-code Hardware Accelerator

native_HW_ID native_HW_en native_HW_cmplt

java_bytecode interrupt_func_DR

interrupt_req_DR interrupt_cmplt

IPC Register file

PLB

argument

圖 12 JAIP 調用的 3 種介面

(1) Bytecode Execution Engine (2) RISC-core (3) Hardware Accelerator

圖 12 說明 JAIP 處理器內 2 種 natvie method 的實作方式：其一是啟動 interrupt 通 知 RISC-core，RISC-core 提供對應的 native C function 來完成工作，執行過程中由 RISC-code 讀取 JAIP 的 stack memory 頂端 data words；第二種方式是 Hardware Native Interface，當 DSRU 解析過程中發現即將呼叫一個 native method，且該 native method ID

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對應到某個 JAIP 處理器支援的 Hardware Accelerator，則啟動對應的電路、傳入 method 參數並執行工作、把回傳值寫到 stack memory 頂端，當其對應的電路工作結束時，發送 完成訊號到 DSRU，此時完成 native method invocation。此設計的好處是可降低 native method 執行時間。

圖 13 在 DSRU 中呼叫 Hardware Native Interface 的 state diagram

在我們的設計下當 current thread 呼叫 native method 會執行 invokevirtual、invokestatic 等指令 ，當 Decode Stage 解析發現要執行這些指令時便會啟動 Dynamic Symbol Resolution Unit(DSRU)，此時 DSRU 狀態從 Idle 到 Get_XRT_idx_from_CSCB(如圖 13)，

同時將 operand bytes 及 control flags 從 Decode stage 傳給 DSRU，DSRU 之後根據 decode stage 給的 control flags 來決定工作內容，如果發現是要呼叫 method 的動作，則 DSRU

Adjusting return

XRT: Cross-reference table MT: method

IF: interface

DRC: Dynamic Res. Ctrlr FLD: field

ID matches head of list

ID does not match head of list matched

still searching?

class not loaded

Execution of a

static/native/clinit method, new object,

or field access Wait for RISC

response

Wait for HW response 2 cycles

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從 Cross Reference Table 找到對應的 method info list，逐一檢查每個 method info 的 cls_id、mthd_id、native_flag (圖 14)。當 DSRU 搜尋到正確的 class ID 與 method ID 時，

其狀態便進入到 Check_FLD_or_MT_info，檢查目前這個 method 相關資料是否已被載入 到 Method Area Circular Buffer 與 Class Symbol Table Circular Buffer，如果沒有則先進入 DynamicClass_Loading_Parsing 狀態，啟動 Class parser 把 class data 與 method bytecode 分別載入 Class Symbol Table Circular Buffer 與 Method Area Circular Buffer 之後，再檢查 native_flag 的值，決定要下個狀態是 MACB_CSCB_Loading 或是 Native_invoke。如果呼 叫的 method bytecode 已被載入到 Method Area Circular Buffer，則不需啟動 Class Parser，

直接判斷 native_flag 決定下個狀態是 Native_invoke 或是 MACB_CSCB_Loading。由於 在此我們舉例 current thread 呼叫 native method，因此，native_flag=1，DSRU 下個狀態 進入 Native_invoke。

Class Symbol Table Circular Buffer

Entry 0 Entry 1 (2) (4) pointer

.

Cross Reference Table

pointer Class ID

Class ID Method ID .

. .

0xFFFF Class ID

(1) Class ID Method ID .

. .

pointer Class ID

Class ID Method ID .

#bytes for return (4)

Argument size

圖 14 method info list 訪問過程與 method info 格式

native_hardware_flag(圖 14)被用來判斷此 native method 是由 RISC-core 實作與否。

如果其值為 0，表示這個 method 以 RISC-core 實作 interrupt service routine，此時 mthd_id

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表示 interrupt service routine ID 編號，且 DSRU 下個狀態進入 Invoke_SW_native_code；

如果其值為 1，表示這個 method 是由 hardwired 電路或加速器實作，此時把 method info 的 method ID 欄位寫入 native_HW_ID 並且 DSRU 下個狀態進入 Invoke_HW_logic。當 DSRU 狀態為 Invoke_HW_logic 時啟動 Hardware Native Interface，把 native_HW_en、

native_HW_ID 這 2 個 Hardware Native Interface 輸出訊號連接個別加速電路模組內。

以圖 10 為例，當 main thread 呼叫 t1.start()或者 t2.start()時會啟動 DSRU，如上一段 描述當 DSRU 到 Cross Reference Table 讀取 Thread.start()的 method info 時發現 native_flag 與 native_hardware_flag 的值皆為 1，因此 DSRU 下個狀態進入 Invoke_HW_logic。根據 圖 12，Hardware Native Interface 的 native_HW_en、native_HW_ID 兩條訊號連接到 ICCU，當 DSRU 狀態為 Invoke_HW_logic，如果 native_HW_en 等於 1 則透過 Hardware Native Interface 觸發 ICCU 執行產生 new thread 的動作，ICCU (圖 19)詳細步驟即將在 section 3-3 描述。當 ICCU 完成產生 new thread 工作之後，native_HW_cmplt 等於 1 且 native_HW_en 等 於 0 ， 此 時 DSRU 的 狀 態 從 Invoke_HW_logic 轉 到 Adjusting_return_stack，把 2-level Java Runtime Stack 回復到呼叫 method 之前的狀態，

最後完成呼叫 start method 的工作。