JavaCard CPU的设计与FPGA实现

1 JavaCard简介

　　智能卡是指集成了CPU、ROM、RAM、COS(芯片操作系统)和EEPROM，能储存信息和图像，具备读/写能力，信息能被加密保护的便携卡。智能卡的最基本标准是 ISO/IEC7816。智能卡在银行、电信等行业得到广泛应用，但在发展过程中也遇到很多问题，主要有：各厂商指令集不统一；编程接口APIs太复杂；开发环境不通用，新卡开发都要熟悉开发环境；系统不兼容，专卡专用。由于开发门槛过高，影响了智能卡的发展。市场对智能卡的发展提出了新的要求，Sun公司提出了Java Card开放标准。JavaCard技术将智能卡与Java技术相结合，克服了智能卡开发技术太专业、开发周期长等阻碍智能卡普及的缺点，允许智能卡运行 Java编写的应用程序。JavaCard技术继承了Java语言的优点，制定了一个安全、便捷且多功能的智能卡平台。

　　JavaCard基本的硬件配置(来自Sun文档)为：512B RAM、24KB ROM、8KB EEPROM、8位处理器。典型的JavaCard设备有8位或16位的CPU，3.7MHz时钟频率，1KB的RAM和大于16KB的非易失存储（EEPROM或Flash）。高性能的智能卡带有独立的处理器、加密芯片及密码信息。

　　JavaCard系统的实现有基于软件虚拟机和基于硬件两种方法。基于软件虚拟机方法是在非Java处理器上用软件方法模拟实现JavaCard平台，在此平台上实现JavaCard应用。基于硬件方法是硬件逻辑实现JavaCard处理器，在此硬件基础上实现JavaCard平台，再在此平台上实现JavaCard应用。

　　2 Java处理器的实现方式比较

　　Java处理器有以下几种实现方式：
　　(1)通用CPU+OS+Java软件解释器，软件解释执行Java指令。
　　(2)通用CPU+OS+Java JIT(Just-In-Time)编译器，按块编译执行Java指令。
　　(3)Java加强CPU+OS+特殊的Java编译器，充分使用Java加强硬件的优势。
　　(4)Java 硬件CPU，本地支持Java指令，执行效率最高。

　　目前的Java系统是基于软件虚拟机实现的，软件解析执行Java指令，如(1)、(2)。用软件实现JavaCard虚拟机，需要软件 JavaCard指令解释器，将Java指令转换到本地CPU的指令集。这样，不但速度慢，而且虚拟机本身占用内存资源，不适合在智能卡这种资源有限的硬件中应用。方式(3)要求CPU硬件实现部分Java指令，它需要特殊的编译器来充分发挥Java加强CPU的功能。方式(4)是最有效的解决方法， Java指令的执行不再需要先转换到宿主CPU的本地指令集，同时，它也不占用RAM等软件资源，可以给应用程序提供更多的资源。

　　本文介绍JavaCard CPU。系统采用Verilog描述，设计成一个配置灵活、修改方便、资源占用少、兼容性好、可以在普通FPGA中实现的软核。

　　3 JavaCard CPU的设计

　　3.1 Java CPU的硬件实现技术

　　在CPU的设计中，当从内存中取出下一条指令时，执行这条指令有两种方法，即硬件逻辑方法和微码序列方法。硬件逻辑方法使用译码器、锁存器、计数器和其他一些逻辑部件转移和操作数据，完成指令功能。微码序列方法是在内部实现一个非常简洁、快速的微码处理器。此微码处理器的每条指令对应很简单的硬件动作（一般都是单周期指令），将要执行的CUP指令作为索引，索引到微码ROM中的某个地址，通过执行此地址处的一组微码完成指令功能。

　　硬件逻辑方法的优点是能设计出更快的CPU，缺点是难以实现复杂的指令集，同时会导致芯片面积增大。微码序列方法的优点是可以减小芯片的面积，实现复杂指令集，缺点是速度有时较慢。两种方法的速度快慢并非绝对，微码指令是简单指令，一般每个时钟就能执行一条指令。硬件逻辑方法在执行CPU指令时，通常也是划分为几个阶段执行，同样需要几个时钟。实际设计中采用哪种方法要权衡利弊，在速度不是关键时，微码序列方法是个很好的选择。

　　3.2 JavaCard CPU结构

　　JavaCard CPU采用微码实现，核心部分是微码处理器，用微码指令序列实现JavaCard指令。微码处理器主要组成为：主控逻辑CORE，运算单元ALU，内部堆栈单元STACK，微码ROM，微码指令指针调整模块MCPC，外存读写接口MEMRW，通过wishbone总线连接外部RAM、ROM、I/O。各模块之间连接关系、数据通路、控制通路以及应答信号连接见图1。

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　3.3 微码处理器各模块接口及功能

　　(1)运算单元ALU
　　module alu(x，y，op，z，flag，calc，rst，a ck，clk)；
　　x、y为输入操作数，op为操作码，z为输出结果，flag为输出运算结果标志，calc为运算使能控制信号，ack为运算结束应答。本模块完成op定义的运算，并给出标志位和应答。
　　(2)内部堆栈STACK
　　module stack(clk，rst，pop，push，data_i，data_o，sp，ack)；
　　pop、push为堆栈的弹出及压入操作信号，data_i、data_o为数据输入输出，sp为堆栈指针，ack为堆栈操作结束应答。本模块根据pop、push信号对堆栈进行操作。
　　(3)微码ROM
　　module microcoderom(mcp，mcr)；
　　MCP为微码ROM的指针，MCR为微码寄存器。根据微码指针MCP，在MCR上输出MCP处的微码数据。
　　(4)微码指令指针调整模块MCPC
　　module mcpc(clk，rst，load，new_mcp，hold，remap，instr，mcp)；
　　微码指针有保持、重加载、重映射三种操作。重加载是用new_mcp的值作为新的MCP值。重映射是将CPU指令Instr对应的微码序列首地址作为新的MCP值。
　　load信号有效，用new_mcp的值给MCP赋值；
　　hold信号有效，保持MCP值不变；
　　remap信号有效，则将CPU指令Instr做为索引，得到Instr指令对应的微码序列首地址，将首地址赋给MCP。
　　以上三个信号均无效时，每时钟MCP自动加1。
　　(5)外存读写接口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)；
　　对外接口采用开源的wishbone总线标准，wb*信号是wishbone相关信号。根据rd、wr读写信号，操作wishbone信号，等待wishbone的应答，然后将数据和应答信号反馈给主控模块。

 

　　3.4 本JavaCard CPU设计的特点

　　(1)主控模块与其他从模块之间用使能信号和应答信号保持同步，从模块在完成操作后只需给出应答信号，即可匹配不同速度的从模块。
　　(2)微码指令的设计。所有的微码指令为单指令，即不带任何操作数。微码指令本身包含所需操作的信息，如在哪两个寄存器之间转移数据等。对于跳转操作等必须带后续操作数的指令采取变通方法，先将所需操作数存入内部寄存器，再执行跳转等指令。详细示例为：
　　微码定义为16位。位15指示本微码是指令还是数据。位15==1表示是数据，此时微码的低8位是一个数据，处理此微码时，要将此8位数据提取出来，存入内部寄存器；位15==0表示是指令。当需要执行一个跳转Jmp 0x0809时，微码序列方法使用三条微码表示：
　　0x8008 //位15==1，是数据型微码
　　0x8009
　　JMP //指令型微码助记符
　　执行时，遇到前面两个数据型微码，会将08和09存入内部16位数据寄存器的高低8位；执行JMP指令时，隐含使用此内部数据寄存器。
　　(3)所有的微码指令是单周期指令。由于采用了(2)中所述的单指令微码，在执行当前微码指令的同时读取下一条微码指令，可以做到每个时钟执行一条微码。
　　(4)简洁的主控逻辑。所有JavaCard指令均由微码执行，不采用硬件陷入、软件模拟方式，简化了主控逻辑设计。主控模块状态机仅有EXEC_MC和HLT两个状态。CPU复位后，一直处于执行微码EXEC_MC状态，直到执行HLT微码指令。
　　(5)适应性好。采用了应答机制，可以匹配不同速度的部件；对外采用wishbone总线，简化了各部件接口的设计，方便了外部设备的扩充。
　　(6)I/O采用内存映射方式统一编址，避免了非Java指令的引入，保证了兼容性。

　　3.5 Verilog表述的微码处理器核心逻辑

　　下面是主控逻辑框架代码的一部分。本段代码体现了如何处理数据型微码和指令型微码，可以在YOUR_MICRO_CODE_INSTR处添加需要的微码指令以及对应的操作。

always@(posedge clk or posedge reset)
　　begin
　　　if(reset)
　　　　begin
　　　　　new_mcp[15：0]<=init_ADDR；//初始化微码

<!-- 2008-5-2 18:22:25-->

 

　　　　　　　　　　　　　　　　//序列首地址
　　　　　{pop，push，alu_calc，memrd，memwr，load_mcp，hold_mcp，remap_mcp}<=8′b00000000；
　　　　　H_READED<=1′ b0；//表示是否读过了一次
　　　　　　　　　　　　　//数据型微码
　　　　　state[1：0]<=EXEC_MC；
　　　　end
　　　else
　　　　begin
　　　　　case(state[1：0])
　　　　　　EXEC_MC：
　　　　　　　begin//首先根据mcr的位15判断是数据型
　　　　　　　　　　//微码还是指令型微码
　　　　　　　if(mcr[15])//mcr中存放微码，位15==1表示
　　　　　　　　　　　　//此微码是数据型，先保存高8位，再低8位
　　　　　　　　begin
　　　　　　　　　if(H_READED==1′b0)//首个数据型
　　　　　　　　　　　　　　　　　　//微码，数据保存到高8位
　　　　　　　　　begin
　　　　　　　　　　{mcdata[15：8]}<=mcr[7：0]；
　　　　　　　　　　　　　　　　　　//mcdata是内部数据寄存器
　　　　　　　　　　H_READED<=1′b1；
　　　　　　　　　end
　　　　　　　else
　　　　　　　　　begin
　　　　　　　　　　{mcdata[7：0]}<=mcr[7：0]；
　　　　　　　　　　H_READED<=1′b0；
　　　　　　　　　end
　　　　　　end
　　　　　else//表示此微码是指令，根据后面的15位
　　　　　　　　//分支操作
　　　　　　begin
　　　　　　　　case(mcr[15：0])
　　　　　　　　　　YOUR_MICRO_CODE_INSTR：//
　　　　　　　　　　begin
　　　　　　　　　　　　……//定义的微码操作
　　　　　　　　　　end
　　　　　　　　　　　　……//其他微码指令处理
　　　　　　　　endcase
　　　　　　end//end for mcr为指令处理
　　　　end
　　　　HLT：//state[1：0]=HLT，宕机状态处理
　　　　…
　　　endcase//end for state[1：0]
　　end//end for reset
end//end for always@(posedge clk or posedge reset)

 

　　系统采用微码实现，用微码序列控制读取Java指令、存储数据，实现Java指令。JavaCard指令被解释执行的过程如下：

　　读取JavaCard PC处的JavaCard指令至指令寄存器Instr，发出remap信号给微码指针调整模块MCPC，微码指针寄存器MCP得到新的JavaCard指令对应的微码序列首地址，MCP的变化使微码指令寄存器MCR变为该微码序列的首个微码指令，再由微码处理器执行此MCR中的微码。

　　4 JavaCard CPU测试平台的FPGA实现

　　4.1 外围接口和模块

　　测试平台是以一块xc2s200芯片为核心的简单开发板，全部设计都在此芯片内实现，包括CPU逻辑、存储单元等，板上的8位led指示灯用作I/O输出端口。

　　4.2 测试平台框架

　　测试平台框架结构如图2所示。

　　4.3 结果说明

　　设计是用Verilog语言实现的,内部使用16位数据总线，对外是8位的wishbone总线，微码ROM为4KB，外接512B的ROM和512B的RAM。

　　JavaCard 定义了187条指令，其中47条指令涉及32位整型数。对32位整型数的支持是可选的，本次没有实现对32位整型数操作的指令，遇到未定义指令的操作为宕机。共定义了109条微码指令。用了3273条微码指令序列完成系统初始化操作和解释JavaCard指令，每条JavaCard指令约用17条微码指令执行（主要是有些面向对象的复杂指令需要更多的微码解释）。

　　整个系统占用资源很少：4个Block RAM，2 052个Slice，可以在普通FPGA上实现。

　　测试代码下载到板上的ROM中，以24MHz时钟运行通过，验证了JavaCard指令处理的正确性，性能完全满足JavaCard虚拟机标准要求。

　　实现JavaCard硬件CPU是JavaCard的发展方向。因用途原因，它不需要很高的性能，而更需要成本低、资源占用少、功耗低等特性。 JavaCard指令集是面向对象的复杂指令集，很难直接用硬件实现。采用微码方式实现是很好的选择，每一条微码对应一个很简单的硬件动作，硬件实现容易，且使用的资源少。用微码序列完成JavaCard指令，使硬件设计保持简洁、灵活、修改方便，有些改动只需重写微码序列而不需要更改硬件设计；添加新功能支持的也只需要修改微码，如硬件实现加密方法调用接口。JavaCard硬件CPU的实现必将促进JavaCard的应用。