JavaCard指令處理器的FPGA設計

1 JavaCard簡介

　　智能卡是指集成了CPU、ROM、RAM、COS(芯片操作系統(tǒng))和EEPROM，能儲存信息和圖像，具備讀/寫能力，信息能被加密保護的便攜卡。智能卡的最基本標準是ISO/IEC7816。智能卡在銀行、電信等行業(yè)得到廣泛應用，但在發(fā)展過程中也遇到很多問題，主要有：各廠商指令集不統(tǒng)一;編程接口APIs太復雜;開發(fā)環(huán)境不通用，新卡開發(fā)都要熟悉開發(fā)環(huán)境;系統(tǒng)不兼容，專卡專用。由于開發(fā)門檻過高，影響了智能卡的發(fā)展。市場對智能卡的發(fā)展提出了新的要求，Sun公司提出了Java Card開放標準。JavaCard技術將智能卡與Java技術相結合，克服了智能卡開發(fā)技術太專業(yè)、開發(fā)周期長等阻礙智能卡普及的缺點，允許智能卡運行Java編寫的應用程序。JavaCard技術繼承了Java語言的優(yōu)點，制定了一個安全、便捷且多功能的智能卡平臺。

　　JavaCard基本的硬件配置(來自Sun文檔)為：512B RAM、24KB ROM、8KB EEPROM、8位處理器。典型的JavaCard設備有8位或16位的CPU，3.7MHz時鐘頻率，1KB的RAM和大于16KB的非易失存儲(EEPROM或Flash)。高性能的智能卡帶有獨立的處理器、加密芯片及密碼信息。

　　JavaCard系統(tǒng)的實現(xiàn)有基于軟件虛擬機和基于硬件兩種方法?；谲浖摂M機方法是在非Java處理器上用軟件方法模擬實現(xiàn)JavaCard平臺，在此平臺上實現(xiàn)JavaCard應用?；谟布椒ㄊ怯布壿媽崿F(xiàn)JavaCard處理器，在此硬件基礎上實現(xiàn)JavaCard平臺，再在此平臺上實現(xiàn)JavaCard應用。

　　2 Java處理器的實現(xiàn)方式比較

　　Java處理器有以下幾種實現(xiàn)方式：

　(1)通用CPU+OS+Java軟件解釋器，軟件解釋執(zhí)行Java指令。

　　(2)通用CPU+OS+Java JIT(Just-In-Time)編譯器，按塊編譯執(zhí)行Java指令。

　　(3)Java加強CPU+OS+特殊的Java編譯器，充分使用Java加強硬件的優(yōu)勢。

　　(4)Java 硬件CPU，本地支持Java指令，執(zhí)行效率最高。

　　目前的Java系統(tǒng)是基于軟件虛擬機實現(xiàn)的，軟件解析執(zhí)行Java指令，如(1)、(2)。用軟件實現(xiàn)JavaCard虛擬機，需要軟件JavaCard指令解釋器，將Java指令轉換到本地CPU的指令集。這樣，不但速度慢，而且虛擬機本身占用內(nèi)存資源，不適合在智能卡這種資源有限的硬件中應用。方式(3)要求CPU硬件實現(xiàn)部分Java指令，它需要特殊的編譯器來充分發(fā)揮Java加強CPU的功能。方式(4)是最有效的解決方法，Java指令的執(zhí)行不再需要先轉換到宿主CPU的本地指令集，同時，它也不占用RAM等軟件資源，可以給應用程序提供更多的資源。

　　本文介紹JavaCard CPU。系統(tǒng)采用Verilog描述，設計成一個配置靈活、修改方便、資源占用少、兼容性好、可以在普通FPGA中實現(xiàn)的軟核。

　　3 JavaCard CPU的設計

　　3.1 Java CPU的硬件實現(xiàn)技術

　　在CPU的設計中，當從內(nèi)存中取出下一條指令時，執(zhí)行這條指令有兩種方法，即硬件邏輯方法和微碼序列方法。硬件邏輯方法使用譯碼器、鎖存器、計數(shù)器和其他一些邏輯部件轉移和操作數(shù)據(jù)，完成指令功能。微碼序列方法是在內(nèi)部實現(xiàn)一個非常簡潔、快速的微碼處理器。此微碼處理器的每條指令對應很簡單的硬件動作(一般都是單周期指令)，將要執(zhí)行的CUP指令作為索引，索引到微碼ROM中的某個地址，通過執(zhí)行此地址處的一組微碼完成指令功能。

　　硬件邏輯方法的優(yōu)點是能設計出更快的CPU，缺點是難以實現(xiàn)復雜的指令集，同時會導致芯片面積增大。微碼序列方法的優(yōu)點是可以減小芯片的面積，實現(xiàn)復雜指令集，缺點是速度有時較慢。兩種方法的速度快慢并非絕對，微碼指令是簡單指令，一般每個時鐘就能執(zhí)行一條指令。硬件邏輯方法在執(zhí)行CPU指令時，通常也是劃分為幾個階段執(zhí)行，同樣需要幾個時鐘。實際設計中采用哪種方法要權衡利弊，在速度不是關鍵時，微碼序列方法是個很好的選擇。

　　3.2 JavaCard CPU結構

　　JavaCard CPU采用微碼實現(xiàn)，核心部分是微碼處理器，用微碼指令序列實現(xiàn)JavaCard指令。微碼處理器主要組成為：主控邏輯CORE，運算單元ALU，內(nèi)部堆棧單元STACK，微碼ROM，微碼指令指針調(diào)整模塊MCPC，外存讀寫接口MEMRW，通過wishbone總線連接外部RAM、ROM、I/O。各模塊之間連接關系、數(shù)據(jù)通路、控制通路以及應答信號連接見圖1。

3.3 微碼處理器各模塊接口及功能

　　(1)運算單元ALU

　　module alu(x，y，op，z，flag，calc，rst，ack，clk);

　　x、y為輸入操作數(shù)，op為操作碼，z為輸出結果，flag為輸出運算結果標志，calc為運算使能控制信號，ack為運算結束應答。本模塊完成op定義的運算，并給出標志位和應答。

　　(2)內(nèi)部堆棧STACK

　　module stack(clk，rst，pop，push，data_i，data_o，sp，ack);

　　pop、push為堆棧的彈出及壓入操作信號，data_i、data_o為數(shù)據(jù)輸入輸出，sp為堆棧指針，ack為堆棧操作結束應答。本模塊根據(jù)pop、push信號對堆棧進行操作。

　　(3)微碼ROM

　　module microcoderom(mcp，mcr);

　　MCP為微碼ROM的指針，MCR為微碼寄存器。根據(jù)微碼指針MCP，在MCR上輸出MCP處的微碼數(shù)據(jù)。

　　(4)微碼指令指針調(diào)整模塊MCPC

　　module 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指令Instr對應的微碼序列首地址作為新的MCP值。

　　load信號有效，用new_mcp的值給MCP賦值;

　　hold信號有效，保持MCP值不變;

　　remap信號有效，則將CPU指令Instr做為索引，得到Instr指令對應的微碼序列首地址，將首地址賦給MCP。

　　以上三個信號均無效時，每時鐘MCP自動加1。

　　(5)外存讀寫接口MEMRW

　　module 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);

　　對外接口采用開源的wishbone總線標準，wb*信號是wishbone相關信號。根據(jù)rd、wr讀寫信號，操作wishbone信號，等待wishbone的應答，然后將數(shù)據(jù)和應答信號反饋給主控模塊。

　　3.4 本JavaCard CPU設計的特點

　　(1)主控模塊與其他從模塊之間用使能信號和應答信號保持同步，從模塊在完成操作后只需給出應答信號，即可匹配不同速度的從模塊。

　　(2)微碼指令的設計。所有的微碼指令為單指令，即不帶任何操作數(shù)。微碼指令本身包含所需操作的信息，如在哪兩個寄存器之間轉移數(shù)據(jù)等。對于跳轉操作等必須帶后續(xù)操作數(shù)的指令采取變通方法，先將所需操作數(shù)存入內(nèi)部寄存器，再執(zhí)行跳轉等指令。詳細示例為：

　　微碼定義為16位。位15指示本微碼是指令還是數(shù)據(jù)。位15==1表示是數(shù)據(jù)，此時微碼的低8位是一個數(shù)據(jù)，處理此微碼時，要將此8位數(shù)據(jù)提取出來，存入內(nèi)部寄存器;位15==0表示是指令。當需要執(zhí)行一個跳轉Jmp 0x0809時，微碼序列方法使用三條微碼表示：

　　0x8008 //位15==1，是數(shù)據(jù)型微碼

　　0x8009

　　JMP //指令型微碼助記符

　　執(zhí)行時，遇到前面兩個數(shù)據(jù)型微碼，會將08和09存入內(nèi)部16位數(shù)據(jù)寄存器的高低8位;執(zhí)行JMP指令時，隱含使用此內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器。

　　(3)所有的微碼指令是單周期指令。由于采用了(2)中所述的單指令微碼，在執(zhí)行當前微碼指令的同時讀取下一條微碼指令，可以做到每個時鐘執(zhí)行一條微碼。

　　(4)簡潔的主控邏輯。所有JavaCard指令均由微碼執(zhí)行，不采用硬件陷入、軟件模擬方式，簡化了主控邏輯設計。主控模塊狀態(tài)機僅有EXEC_MC和HLT兩個狀態(tài)。CPU復位后，一直處于執(zhí)行微碼EXEC_MC狀態(tài)，直到執(zhí)行HLT微碼指令。

　　(5)適應性好。采用了應答機制，可以匹配不同速度的部件;對外采用wishbone總線，簡化了各部件接口的設計，方便了外部設備的擴充。

　　(6)I/O采用內(nèi)存映射方式統(tǒng)一編址，避免了非Java指令的引入，保證了兼容性。