1、javacard cpu的設(shè)計(jì)與fpga實(shí)現(xiàn)智能卡是指集成了cpu、rom、ram、cos(芯片操作系統(tǒng))和eeprom，能儲(chǔ)存信息和圖像，具備讀/寫(xiě)能力，信息能被加密庇護(hù)的便攜卡。智能卡的最基本標(biāo)準(zhǔn)是 iso/iec7816。智能卡在銀行、電信等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，但在進(jìn)展過(guò)程中也碰到無(wú)數(shù)問(wèn)題，主要有：各廠商命令集不統(tǒng)一；編程接口apis太復(fù)雜；開(kāi)發(fā)環(huán)境不通用，新卡開(kāi)發(fā)都要認(rèn)識(shí)開(kāi)發(fā)環(huán)境；系統(tǒng)不兼容，?？▽Ｓ谩Ｒ?yàn)殚_(kāi)發(fā)門(mén)檻過(guò)高，影響了智能卡的進(jìn)展。市場(chǎng)對(duì)智能卡的進(jìn)展提出了新的要求，sun公司提出了java card開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)。javacard技術(shù)將智能卡與java技術(shù)相結(jié)合，克服了智能卡開(kāi)發(fā)技術(shù)太

2、專業(yè)、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)等妨礙智能卡普及的缺點(diǎn)，允許智能卡運(yùn)行 java編寫(xiě)的應(yīng)用程序。javacard技術(shù)繼承了java語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)，制定了一個(gè)平安、便捷且多功能的智能卡平臺(tái)。javacard基本的硬件配置(來(lái)自sun文檔)為：512b ram、24kb rom、8kb eeprom、8位處理器。典型的javacard設(shè)備有8位或16位的cpu，3.7mhz時(shí)鐘頻率，1kb的ram和大于16kb的非易失存儲(chǔ)（eeprom或flash）。高性能的智能卡帶有自立的處理器、加密芯片及密碼信息。javacard系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)有基于軟件虛擬機(jī)和基于硬件兩種辦法。基于軟件虛擬機(jī)辦法是在非java處理器上用軟件辦法模擬

3、實(shí)現(xiàn)javacard平臺(tái)，在此平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)javacard應(yīng)用?；谟布k法是硬件規(guī)律實(shí)現(xiàn)javacard處理器，在此硬件基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)javacard平臺(tái)，再在此平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)javacard應(yīng)用。2 java處理器的實(shí)現(xiàn)方式比較java處理器有以下幾種實(shí)現(xiàn)方式：(1)通用cpu+os+java軟件說(shuō)明器，軟件說(shuō)明執(zhí)行java命令。(2)通用cpu+os+java jit(just-in-time)編譯器，按塊編譯執(zhí)行java命令。(3)java加強(qiáng)cpu+os+特別的java編譯器，充分用法java加強(qiáng)硬件的優(yōu)勢(shì)。(4)java 硬件cpu，本地支持java命令，執(zhí)行效率最高。目前的java系統(tǒng)是基

4、于軟件虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)的，軟件解析執(zhí)行java命令，如(1)、(2)。用軟件實(shí)現(xiàn)javacard虛擬機(jī)，需要軟件 javacard命令說(shuō)明器，將java命令轉(zhuǎn)換到本地cpu的命令集。這樣，不但速度慢，而且虛擬機(jī)本身占用內(nèi)存資源，不適合在智能卡這種資源有限的硬件中應(yīng)用。方式(3)要求cpu硬件實(shí)現(xiàn)部分java命令，它需要特別的編譯器來(lái)充分發(fā)揮java加強(qiáng)cpu的功能。方式(4)是最有效的解決辦法， java命令的執(zhí)行不再需要先轉(zhuǎn)換到宿主cpu的本地命令集，同時(shí)，它也不占用ram等軟件資源，可以給應(yīng)用程序提供更多的資源。本文介紹javacard cpu。系統(tǒng)采納描述，設(shè)計(jì)成一個(gè)配置靈便、修改便利、資源占

5、用少、兼容性好、可以在一般中實(shí)現(xiàn)的軟核。3 javacard cpu的設(shè)計(jì)3.1 java cpu的硬件實(shí)現(xiàn)技術(shù)在cpu的設(shè)計(jì)中，當(dāng)從內(nèi)存中取出下一條命令時(shí)，執(zhí)行這條命令有兩種辦法，即硬件規(guī)律辦法和微碼序列辦法。硬件規(guī)律辦法用法譯碼器、鎖存器、計(jì)數(shù)器和其他一些規(guī)律部件轉(zhuǎn)移和操作數(shù)據(jù)，完成命令功能。微碼序列辦法是在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)一個(gè)十分簡(jiǎn)潔、迅速的微碼處理器。此微碼處理器的每條命令對(duì)應(yīng)很容易的硬件動(dòng)作（普通都是單周期命令），將要執(zhí)行的cup命令作為索引，索引到微碼rom中的某個(gè)地址，通過(guò)執(zhí)行此地址處的一組微碼完成命令功能。硬件規(guī)律辦法的優(yōu)點(diǎn)是能設(shè)計(jì)出更快的cpu，缺點(diǎn)是難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的命令集，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致

6、芯片面積增大。微碼序列辦法的優(yōu)點(diǎn)是可以減小芯片的面積，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜命令集，缺點(diǎn)是速度有時(shí)較慢。兩種辦法的速度快慢并非肯定，微碼命令是容易命令，普通每個(gè)時(shí)鐘就能執(zhí)行一條命令。硬件規(guī)律辦法在執(zhí)行cpu命令時(shí)，通常也是劃分為幾個(gè)階段執(zhí)行，同樣需要幾個(gè)時(shí)鐘。實(shí)際設(shè)計(jì)中采納哪種辦法要權(quán)衡利弊，在速度不是關(guān)鍵時(shí)，微碼序列辦法是個(gè)很好的挑選。3.2 javacard cpu結(jié)構(gòu)javacard cpu采納微碼實(shí)現(xiàn)，核心部分是微碼處理器，用微碼命令序列實(shí)現(xiàn)javacard命令。微碼處理器主要組成為：主控規(guī)律core，運(yùn)算單元alu，內(nèi)部堆棧單元stack，微碼rom，微碼命令指針調(diào)節(jié)模塊mcpc，外存讀寫(xiě)接口me

7、mrw，通過(guò)wishbone銜接外部ram、rom、i/o。各模塊之間銜接關(guān)系、數(shù)據(jù)通路、控制通路以及應(yīng)答信號(hào)銜接見(jiàn)圖1。3.3 微碼處理器各模塊接口及功能(1)運(yùn)算單元alumodule alu(x，y，op，z，flag，calc，rst，a ck，clk)；x、y為輸入操作數(shù)，op為操作碼，z為輸出結(jié)果，flag為輸出運(yùn)算結(jié)果標(biāo)記，calc為運(yùn)算使能控制信號(hào)，ack為運(yùn)算結(jié)束應(yīng)答。本模塊完成op定義的運(yùn)算，并給出標(biāo)記位和應(yīng)答。(2)內(nèi)部堆棧stackmodule stack(clk，rst，pop，push，data_i，data_o，sp，ack)；pop、push為堆棧的彈出及壓入操

8、作信號(hào)，data_i、data_o為數(shù)據(jù)輸入輸出，sp為堆棧指針，ack為堆棧操作結(jié)束應(yīng)答。本模塊按照pop、push信號(hào)對(duì)堆棧舉行操作。(3)微碼rommodule microcoderom(mcp，mcr)；mcp為微碼rom的指針，mcr為微碼寄存器。按照微碼指針mcp，在mcr上輸出mcp處的微碼數(shù)據(jù)。(4)微碼命令指針調(diào)節(jié)模塊mcpcmodule mcpc(clk，rst，load，new_mcp，hold，remap，instr，mcp)；微碼指針有保持、重加載、重映射三種操作。重加載是用new_mcp的值作為新的mcp值。重映射是將cpu命令instr對(duì)應(yīng)的微碼序列首地址作為新的

9、mcp值。load信號(hào)有效，用new_mcp的值給mcp賦值；hold信號(hào)有效，保持mcp值不變；remap信號(hào)有效，則將cpu命令instr做為索引，得到instr命令對(duì)應(yīng)的微碼序列首地址，將首地址賦給mcp。以上三個(gè)信號(hào)均無(wú)效時(shí)，每時(shí)鐘mcp自動(dòng)加1。(5)外存讀寫(xiě)接口memrwmodule memrw(clk，addr，data_read_in，data_write_out，ack，rst，rd，wr，wb_stb_out， wb_cyc_out，wb_ack_in，wb_addr_out， wb_data_in，wb_data_out，wb_we_out)；對(duì)外接口采納開(kāi)源的wishb

10、one總線標(biāo)準(zhǔn)，wb*信號(hào)是wishbone相關(guān)信號(hào)。按照rd、wr讀寫(xiě)信號(hào)，操作wishbone信號(hào)，等待wishbone的應(yīng)答，然后將數(shù)據(jù)和應(yīng)答信號(hào)反饋給主控模塊。3.4 本javacard cpu設(shè)計(jì)的特點(diǎn)(1)主控模塊與其他從模塊之間用使能信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)保持同步，從模塊在完成操作后只需給出應(yīng)答信號(hào)，即可匹配不同速度的從模塊。(2)微碼命令的設(shè)計(jì)。全部的微碼命令為單命令，即不帶任何操作數(shù)。微碼命令本身包含所需操作的信息，如在哪兩個(gè)寄存器之間轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)等。對(duì)于跳轉(zhuǎn)操作等必需帶后續(xù)操作數(shù)的命令實(shí)行變通辦法，先將所需操作數(shù)存入內(nèi)部寄存器，再執(zhí)行跳轉(zhuǎn)等命令。具體示例為：微碼定義為16位。位15指示

11、本微碼是命令還是數(shù)據(jù)。位15=1表示是數(shù)據(jù)，此時(shí)微碼的低8位是一個(gè)數(shù)據(jù)，處理此微碼時(shí)，要將此8位數(shù)據(jù)提取出來(lái)，存入內(nèi)部寄存器；位15=0表示是命令。當(dāng)需要執(zhí)行一個(gè)跳轉(zhuǎn)jmp 0x0809時(shí)，微碼序列辦法用法三條微碼表示：0x8008 /位15=1，是數(shù)據(jù)型微碼0x8009jmp /命令型微碼助記符執(zhí)行時(shí)，碰到前面兩個(gè)數(shù)據(jù)型微碼，會(huì)將08和09存入內(nèi)部16位數(shù)據(jù)寄存器的凹凸8位；執(zhí)行jmp命令時(shí)，隱含用法此內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器。(3)全部的微碼命令是單周期命令。因?yàn)椴杉{了(2)中所述的單命令微碼，在執(zhí)行當(dāng)前微碼命令的同時(shí)讀取下一條微碼命令，可以做到每個(gè)時(shí)鐘執(zhí)行一條微碼。(4)簡(jiǎn)潔的主控規(guī)律。全部jav

12、acard命令均由微碼執(zhí)行，不采納硬件陷入、軟件模擬方式，簡(jiǎn)化了主控規(guī)律設(shè)計(jì)。主控模塊狀態(tài)機(jī)僅有exec_mc和hlt兩個(gè)狀態(tài)。cpu復(fù)位后，向來(lái)處于執(zhí)行微碼exec_mc狀態(tài)，直到執(zhí)行hlt微碼命令。(5)適應(yīng)性好。采納了應(yīng)答機(jī)制，可以匹配不同速度的部件；對(duì)外采納wishbone總線，簡(jiǎn)化了各部件接口的設(shè)計(jì)，便利了外部設(shè)備的擴(kuò)充。(6)i/o采納內(nèi)存映射方式統(tǒng)一編址，避開(kāi)了非java命令的引入，保證了兼容性。3.5 verilog表述的微碼處理器核心規(guī)律下面是主控規(guī)律框架代碼的一部分。本段代碼體現(xiàn)了如何處理數(shù)據(jù)型微碼和命令型微碼，可以在your_micro_code_instr處添加需要的微

13、碼命令以及對(duì)應(yīng)的操作。always(posedge clk or posedge reset)beginif(reset)beginnew_mcp15：0/序列首地址pop，push，alu_calc，memrd，memwr，load_mcp，hold_mcp，remap_mcp系統(tǒng)采納微碼實(shí)現(xiàn)，用微碼序列控制讀取java命令、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)java命令。javacard命令被說(shuō)明執(zhí)行的過(guò)程如下：讀取javacard pc處的javacard命令至命令寄存器instr，發(fā)出remap信號(hào)給微碼指針調(diào)節(jié)模塊mcpc，微碼指針寄存器mcp得到新的javacard命令對(duì)應(yīng)的微碼序列首地址，mcp的變

14、幻使微碼命令寄存器mcr變?yōu)樵撐⒋a序列的首個(gè)微碼命令，再由微碼處理器執(zhí)行此mcr中的微碼。4 javacard cpu測(cè)試平臺(tái)的fpga實(shí)現(xiàn)4.1 外圍接口和模塊測(cè)試平臺(tái)是以一塊xc2s200芯片為核心的容易開(kāi)發(fā)板，所有設(shè)計(jì)都在此芯片內(nèi)實(shí)現(xiàn)，包括cpu規(guī)律、存儲(chǔ)單元等，板上的8位led指示燈用作i/o輸出端口。4.2 測(cè)試平臺(tái)框架測(cè)試平臺(tái)框架結(jié)構(gòu)2所示。4.3 結(jié)果解釋設(shè)計(jì)是用verilog語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的,內(nèi)部用法16位數(shù)據(jù)總線，對(duì)外是8位的wishbone總線，微碼rom為4kb，外接512b的rom和512b的ram。javacard 定義了187條命令，其中47條命令涉及32位整型數(shù)。對(duì)32

15、位整型數(shù)的支持是可選的，本次沒(méi)有實(shí)現(xiàn)對(duì)32位整型數(shù)操作的命令，碰到未定義命令的操作為宕機(jī)。共定義了109條微碼命令。用了3273條微碼命令序列完成系統(tǒng)初始化操作和說(shuō)明javacard命令，每條javacard命令約用17條微碼命令執(zhí)行（主要是有些面對(duì)對(duì)象的復(fù)雜命令需要更多的微碼說(shuō)明）。囫圇系統(tǒng)占用資源很少：4個(gè)block ram，2 052個(gè)slice，可以在一般fpga上實(shí)現(xiàn)。測(cè)試代碼下載到板上的rom中，以24mhz時(shí)鐘運(yùn)行通過(guò)，驗(yàn)證了javacard命令處理的正確性，性能徹低滿足javacard虛擬機(jī)標(biāo)準(zhǔn)要求。實(shí)現(xiàn)javacard硬件cpu是javacard的進(jìn)展方向。因用途緣由，它不需要很高的性能