Abstract
在傳統電腦系統的設計上，硬體部份與軟體部份是各自獨立並且分割得很清楚。例如就個人電腦而言，硬體方面主要包含一顆或數顆的中央處理單元（CPU）以及數顆應用專用積體電路（Application Specific Integrated Circuit, ASIC）所構成的晶片組；而在軟體方面，則是存放在記憶體的作業系統以及一些應用程式。使用者若是對於整體的效能不滿意，則僅能更換硬體架構，或者是使用功能更強大的軟體，以提高整體的效能。但不論哪一種作法，都無法使軟、硬體之間協調地改善；亦即其中一方面的效能雖然大幅度的提昇。但另一方面卻停留在原地，使高代價的付出得不到在整體效益上相對的提昇。為了解決這個問題，便有人提出硬體╱軟體合作設計（Hardware/Software Co-design）的概念。硬體╱軟體合作設計的主要精神是：使硬體與軟體齊頭並進地改良，以便用最少的代價，來獲取最大的效益。 Java，一個SUN公司所發展的程式語言，配合Java虛擬機器（Virtual Machine）的執行環境，可達成獨立平台、可攜性高、短小簡單以及安全可靠的需求。雖然有以上的優點，Java的執行速度卻為一般人所詬病。為了解決這個問題，SUN 公司便研究發展出第一代的Java晶片-picoJava。picoJava是將Java虛擬機器硬體脂而成的一顆晶片，這種作法是要建立起一個能夠執行Java應用程式的電腦系統。目前應用廣泛的程式語言，除非編譯成Java bytecode，否則無法在picoJava系統上執行。因此在短期之內，這種系統架構恐怕無法普及。 而另一個解決的方法，便是採用硬體╱軟體合作設計的技巧。將Java虛擬機器上的某些致使Java程式執行速度緩慢的部份硬體化，並架構在目前廣泛使用中的系統上，以達到提高Java程式的執行速度及適用於目前的電腦系統等兩方面的要求。在本論文所做的研究，便是採取這種作法，而研究的對象則是Java虛擬機器中的Garbage Collection，一個致使Java程式執行緩慢的重要因素。 本論文選擇名為Kaffe 的Java虛擬機器中的Garbage Collection來研究。在了解Kaffe中Garbage Collection 與其它系統程式之間的關係後，我們便可以很清楚地將Garbage Collection的功能分解出來，然後將它硬體化。在硬體化的過程中，必須要有一個完整的硬體架構，並且需要考量硬體與系統之間的介面。在這方面，本論文參考了『Java加速卡設計與製作之研究』計畫中所發展出來的架構與介面，並且配合Garbage Collection內部功能的特性，做了一些適當的修改。