JavaCard指令處理器的FPGA設(shè)計和實現(xiàn)

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(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(fù)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，?？▽Ｓ谩Ｓ捎陂_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(biāo)準(zhǔn)。JavaCard技術(shù)將智能卡與Java技術(shù)相結(jié)合，克服了智能卡開發(fā)技術(shù)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(yīng)用程序。JavaCard技術(shù)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(shè)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(yīng)用?；谟布椒ㄊ怯布壿媽崿F(xiàn)JavaCard處理器，在此硬件基礎(chǔ)上實現(xiàn)JavaCard平臺，再在此平臺上實現(xiàn)JavaCard應(yīng)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(zhuǎn)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(yīng)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(zhuǎn)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(yīng)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(shè)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(shè)計

3.1 Java CPU的硬件實現(xiàn)技術(shù)

在CPU的設(shè)計中，當(dāng)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(zhuǎn)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(yīng)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(shè)計出更快的CPU，缺點是難以實現(xiàn)復(fù)雜的指令集，同時會導(dǎo)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(fù)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(shè)計中采用哪種方法要權(quán)衡利弊，在速度不是關(guān)鍵時，微碼序列方法是個很好的選擇。

3.2 JavaCard CPU結(jié)構(gòu)

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(guān)系、數(shù)據(jù)通路、控制通路以及應(yīng)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(jié)果，flag為輸出運算結(jié)果標(biāo)志，calc為運算使能控制信號，ack為運算結(jié)束應(yīng)答。本模塊完成op定義的運算，并給出標(biāo)志位和應(yīng)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(jié)束應(yīng)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I(lǐng)nstr對應(yīng)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I(lǐng)nstr做為索引，得到Instr指令對應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)，wb*信號是wishbone相關(guān)信號。根據(jù)rd、wr讀寫信號，操作wishbone信號，等待wishbone的應(yīng)答，然后將數(shù)據(jù)和應(yīng)答信號反饋給主控模塊。

3.4 本JavaCard CPU設(shè)計的特點

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

(2)微碼指令的設(shè)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(zhuǎn)移數(shù)據(jù)等。對于跳轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dāng)需要執(zhí)行一個跳轉(zhuǎn)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(dāng)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(shè)計。主控模塊狀態(tài)機僅有EXEC_MC和HLT兩個狀態(tài)。CPU復(fù)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(yīng)性好。采用了應(yīng)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(shè)計，方便了外部設(shè)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。

3.5 Verilog表述的微碼處理器核心邏輯

下面是主控邏輯框架代碼的一部分。本段代碼體現(xiàn)了如何處理數(shù)據(jù)型微碼和指令型微碼，可以在YOUR_MICRO_CODE_INSTR處添加需要的微碼指令以及對應(yīng)的操作。
always@(posedge clk or posedge reset)
begin
if(reset)
begin
new_mcp[15：0]=init_ADDR；//初始化微碼
//序列首地址
{pop，push，alu_calc，memrd，memwr，load_mcp，hold_mcp，remap_mcp}=8′b00000000；
H_READED=1′b0；//表示是否讀過了一次
//數(shù)據(jù)型微碼
state[1：0]=EXEC_MC；
end
else
begin
case(state[1：0])
EXEC_MC：
begin//首先根據(jù)mcr的位15判斷是數(shù)據(jù)型
//微碼還是指令型微碼
if(mcr[15])//mcr中存放微碼，位15==1表示
//此微碼是數(shù)據(jù)型，先保存高8位，再低8位
begin
if(H_READED==1′b0)//首個數(shù)據(jù)型
//微碼，數(shù)據(jù)保存到高8位
begin
{mcdata[15：8]}=mcr[7：0]；
//mcdata是內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器
H_READED=1′b1；
end
else
begin
{mcdata[7：0]}=mcr[7：0]；
H_READED=1′b0；
end
end
else//表示此微碼是指令，根據(jù)后面的15位
//分支操作
begin
case(mcr[15：0])
YOUR_MICRO_CODE_INSTR：//
begin
……//定義的微碼操作
end
……//其他微碼指令處理
endcase
end//end for mcr為指令處理
end
HLT：//state[1：0]=HLT，宕機狀態(tài)處理
…
endcase//end for state[1：0]
end//end for reset
end//end for always@(posedge clk or posedge reset)

系統(tǒng)采用微碼實現(xiàn)，用微碼序列控制讀取Java指令、存儲數(shù)據(jù)，實現(xiàn)Java指令。JavaCard指令被解釋執(zhí)行的過程如下：

讀取JavaCard PC處的JavaCard指令至指令寄存器Instr，發(fā)出remap信號給微碼指針調(diào)整模塊MCPC，微碼指針寄存器MCP得到新的JavaCard指令對應(yīng)的微碼序列首地址，MCP的變化使微碼指令寄存器MCR變?yōu)樵撐⒋a序列的首個微碼指令，再由微碼處理器執(zhí)行此MCR中的微碼。

4 JavaCard CPU測試平臺的FPGA實現(xiàn)

4.1 外圍接口和模塊

測試平臺是以一塊xc2s200芯片為核心的簡單開發(fā)板，全部設(shè)計都在此芯片內(nèi)實現(xiàn)，包括CPU邏輯、存儲單元等，板上的8位led指示燈用作I/O輸出端口。

4.2 測試平臺框架

測試平臺框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。


4.3 結(jié)果說明

設(shè)計是用Verilog語言實現(xiàn)的,內(nèi)部使用16位數(shù)據(jù)總線，對外是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條指令，其中47條指令涉及32位整型數(shù)。對32位整型數(shù)的支持是可選的，本次沒有實現(xiàn)對32位整型數(shù)操作的指令，遇到未定義指令的操作為宕機。共定義了109條微碼指令。用了3273條微碼指令序列完成系統(tǒng)初始化操作和解釋JavaCard指令，每條JavaCard指令約用17條微碼指令執(zhí)行（主要是有些面向?qū)ο蟮膹?fù)雜指令需要更多的微碼解釋）。

整個系統(tǒng)占用資源很少：4個Block RAM，2 052個Slice，可以在普通FPGA上實現(xiàn)。

測試代碼下載到板上的ROM中，以24MHz時鐘運行通過，驗證了JavaCard指令處理的正確性，性能完全滿足JavaCard虛擬機標(biāo)準(zhǔn)要求。

實現(xiàn)JavaCard硬件CPU是JavaCard的發(fā)展方向。因用途原因，它不需要很高的性能，而更需要成本低、資源占用少、功耗低等特性。JavaCard指令集是面向?qū)ο蟮?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/復(fù)雜指令集">復(fù)雜指令集，很難直接用硬件實現(xiàn)。采用微碼方式實現(xiàn)是很好的選擇，每一條微碼對應(yīng)一個很簡單的硬件動作，硬件實現(xiàn)容易，且使用的資源少。用微碼序列完成JavaCard指令，使硬件設(shè)計保持簡潔、靈活、修改方便，有些改動只需重寫微碼序列而不需要更改硬件設(shè)計；添加新功能支持的也只需要修改微碼，如硬件實現(xiàn)加密方法調(diào)用接口。JavaCard硬件CPU的實現(xiàn)必將促進JavaCard的應(yīng)用。