Das als Trace bezeichnete nicht-invasive Aufzeichnen von Systemzuständen, während ein eingebettetes System unter realen Einsatzbedingungen in Echtzeit läuft und mit der Systemumgebung interagiert, ist ein wichtiger Teil von Softwaretests. Die Notwendigkeit für den On-Chip-Trace resultiert aus der rückläufigen Einsetzbarkeit etablierter Werkzeuge für den Off-Chip-Trace. Ein wesentlicher Bestandteil von On-Chip-Trace-Architekturen ist die Volumenreduktion der Tracedaten in deren Entstehungsgeschwindigkeit direkt auf dem Chip. Der Schwerpunkt liegt auf dem Trace des Instruktionsflusses von Prozessoren. Der aktuelle Stand der Forschung zeigt zwei Ausprägungen. Bei einfachen Lösungen ist der Kompressionsfaktor zu klein. Aufwendigere Lösungen liefern einen unvollständigen Instruktionstrace, wenn auch sequentielle Befehle bedingt ausgeführt werden. Bisher existieren keine Lösungen, die einen vollständigen Instruktionstrace mit hoher Kompression realisieren. Diese Lücke wird in der vorliegenden Arbeit geschlossen. Der systematische Entwurf der neuen On-Chip-Trace-Architektur beginnt mit der umfassenden Analyse typischer Benchmarkprogramme. Aus den Ergebnissen werden grundlegende Entwurfsentscheidungen abgeleitet. Diese Bitsequenzen von Ausführungsbits, die bei der bedingten Befehlsausführung entstehen, und die Zieladressen ausgeführter indirekter Sprünge werden in unabhängigen Kompressoren verarbeitet. Ein nachgeschalteter Kompressor für die Messages der anderen beiden Kompressoren ist optional und kann die Kompression weiter steigern. Diese Aufteilung stellt ein architektonisches Novum dar. Die Kompression von Bitsequenzen ist bisher ein weitestgehend unbehandeltes Feld. Implementiert worden ist hierfür ein gleitendes Wörterbuch mit der Granularität von Einzelbits. Die Vergleiche mit den untersuchten existierenden Architekturen zeigen die Überlegenheit der neuen Architektur bei der Kompression. Ein vollständiger Instruktionstrace ist für Prozessoren mit und ohne bedingt ausführbaren sequentiellen Befehlen realisiert worden.

This thesis explores the execution of object-oriented code on an embedded Java platform. It presents established and derives new approaches for the implementation of high-level object-oriented functionality and commonly expected system services. The goal of the developed techniques is the provision of the architectural base for an efficient and predictable code execution. The research vehicle of this thesis is the Java-programmed SHAP platform. It consists of its platform tool chain and the highly-customizable SHAP bytecode processor. SHAP offers a fully operational embedded CLDC environment, in which the proposed techniques have been implemented, verified, and evaluated. Two strands are followed to achieve the goal of this thesis. First of all, the sequential execution of bytecode is optimized through a joint effort of an optimizing offline linker and an on-chip application loader. Additionally, SHAP pioneers a reference coloring mechanism, which enables a constant-time interface method dispatch that need not be backed a large sparse dispatch table. Secondly, this thesis explores the implementation of essential system services within designated concurrent hardware modules. This effort is necessary to decouple the computational progress of the user application from the interference induced by time-sharing software implementations of these services. The concrete contributions comprise a spill-free, on-chip stack; a predictable method cache; and a concurrent garbage collection. Each approached means is described and evaluated after the relevant state of the art has been reviewed. This review is not limited to preceding small embedded approaches but also includes techniques that have proven successful on larger-scale platforms. The other way around, the chances that these platforms may benefit from the techniques developed for SHAP are discussed.

Improving a computers performance has been of major interest to all users around the world, from computing centers to private persons, ever since computer science has entered the stage and then the spotlight in the 1940’s. Most often times, this is either achieved by exchanging parts of the computer with better performing parts, called an upgrade, or by simply buying a newer and better computer. Another approach, which originates from the scientific community, is the optimization of the source code of an application. Thereby, the application programmer capitalizes his knowledge about the underlying platform and its tool-chain in order to gain tweaked binary code, which results in a better performance. It is clear, that this technique will never be an option for consumer electronics or people outside the area of programming and software development. Traditionally, these users stick with the upgrade/buy new method. During the last years, consumer electronics improved into multi-tool devices, which are capable of almost any functionality, originating from their internet connection and their ability to dynamically download and install new software. Certainly, it may happen that an application is too demanding for a given underlying hardware revision. As these new devices are built in a monolithic way, a hardware upgrade is not an option. Nonetheless, most users do not want to buy a new device every time this happens. Thus, it is necessary to provide a possibility, which allows the processor to adapt to a given application at runtime, and thereby improving its own performance. This thesis presents three major approaches to such a runtime dynamic application acceleration.

Moderne, objektorientierte Sprachen spielen bei der Entwicklung von Software für eingebettete Systeme bislang kaum eine Rolle. Die Gründe hierfür sind vielfältig, meist wird jedoch die mangelnde Effizienz und der größere Speicherbedarf hervorgehoben. Obwohl Java viele Eigenschaften hat, die sehr für einen Einsatz in eingebetteten Systemen sprechen, so hängt doch gerade Java vielfach immer noch das Vorurteil an, in Systemen mit beschränkter Rechenleistung und Speicher zu viele Ressourcen zu benötigen. Diese Arbeit soll dazu beitragen, diese Vorurteile abzutragen. Sie stellt insbesondere Techniken vor, die den Speicherbedarf einer JVM so gering wie möglich halten und diese effizient mit der zur Verfügung stehenden Rechenleistung umgehen lassen. Viele der dargestellten Verfahren und Algorithmen wurden in der Kertasarie VM implementiert, einer virtuellen Maschine, die speziell für den Einsatz in eingebetteten Systemen konzipiert wurde. Durch die weit verbreitete Vernetzung eingebetteter Systeme über das Internet stellt sich in vielen Fällen zudem das Problem einer modernen, abstrakten und effizienten Form der Kommunikation. Aus diesem Grund liegt der zweite Schwerpunkt dieser Arbeit auf dem Vergleich von objektorientierten Middleware-Architekturen, insbesondere von Java-RMI. Auch auf diesem Gebiet wird eine eigene, speziell an eingebettete Systeme angepasste RMI-Variante vorgestellt. / Modern, object oriented languages do not play an important role when developing software for embedded systems. There are many reasons for it, most often an inadequate performance and a greater memory demand are mentioned. In spite of the fact that Java has many features suitable for embedded systems, Java often faces the prejudice to consume too much resources in systems with limited processing power and memory. This work is a contribution to diminish this prejudices. It presents techniques to limit the memory demands of a Java Virtual Machine and to effectively cope with limited computing power. Many of the presented methods and algorithms are implemented in the Kertasarie VM, a JVM designed to run in embedded systems.Due to the fact of increasing network capabilities embedded systems often face the problem of a modern, abstract and efficient communication. Therefore the second emphasis of this work is put on the comparison of object oriented middleware architectures, especially Java-RMI. An own implementation for embedded systems is also presented.

Die Java-Plattform bietet viele Vorteile für die schnelle Entwicklung komplexer Software. Für die Ausführung des Java-Bytecodes auf eingebetteten Systemen eignen sich insbesondere Java-(Bytecode)-Prozessoren, die den Java-Bytecode als nativen Befehlssatz unterstützen. Die vorliegende Arbeit untersucht detailliert die Gestaltung einer Mehrkernarchitektur für Java-Prozessoren zur effizienten Nutzung der auf Thread-Ebene ohnehin vorhandenen Parallelität eines Java-Programms. Für die Funktionalitäts- und Leistungsbewertung eines Prototyps wird eine eigene Trace-Architektur eingesetzt. Es wird eine hohe Leistungssteigerung bei nur geringem zusätzlichem Hardwareaufwand erzielt sowie eine höhere Leistung als bekannte alternative Ansätze erreicht.