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(chǔ)存信息和圖像，具備讀/寫能力,，信息能被加密保護(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,，但在發(fā)展過程中也遇到很多問題，主要有：各廠商指令集" title="指令集">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,，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(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(diǎn),，允許智能卡運(yùn)行Java編寫的應(yīng)用程序,。JavaCard技術(shù)繼承了Java語言的優(yōu)點(diǎn)，制定了一個(gè)安全,、便捷且多功能的智能卡平臺(tái),。
　　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(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獨(dú)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)和基于硬件兩種方法,?；谲浖摂M機(jī)方法是在非Java處理器上用軟件方法模擬實(shí)現(xiàn)JavaCard平臺(tái)，在此平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)JavaCard應(yīng)用,?；谟布椒ㄊ?a class="cblue" href="http://forexkbc.com/search/?q=硬件邏輯" title="硬件邏輯">硬件邏輯實(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(qiáng)CPU+OS+特殊的Java編譯器,，充分使用Java加強(qiáng)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(jī)實(shí)現(xiàn)的，軟件解析執(zhí)行Java指令,，如(1),、(2)。用軟件實(shí)現(xiàn)JavaCard虛擬機(jī),，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(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)" title="硬件實(shí)現(xiàn)">硬件實(shí)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(qiáng)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(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)采用Verilog描述，設(shè)計(jì)成一個(gè)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(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)存中取出下一條指令時(shí),，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(jì)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(shí)現(xiàn)一個(gè)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(dòng)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(gè)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(diǎn)是能設(shè)計(jì)出更快的CPU,，缺點(diǎn)是難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的指令集，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致芯片面積增大,。微碼序列方法的優(yōu)點(diǎn)是可以減小芯片的面積,，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜指令集，缺點(diǎn)是速度有時(shí)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(gè)時(shí)鐘就能執(zhí)行一條指令,。硬件邏輯方法在執(zhí)行CPU指令時(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)中采用哪種方法要權(quán)衡利弊,，在速度不是關(guān)鍵時(shí),，微碼序列方法是個(gè)很好的選擇。
3.2 JavaCard CPU結(jié)構(gòu)
　　JavaCard CPU采用微碼實(shí)現(xiàn),，核心部分是微碼處理器,，用微碼指令序列實(shí)現(xiàn)JavaCard指令。微碼處理器主要組成為：主控邏輯CORE,，運(yùn)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(hào)連接見圖1,。

3.3 微碼處理器各模塊接口及功能
　　(1)運(yùn)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(yùn)算結(jié)果標(biāo)志，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)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(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,。本模塊根據(jù)pop、push信號(hào)對堆棧進(jìn)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(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(gè)信號(hào)均無效時(shí),，每時(shí)鐘MCP自動(dòng)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(hào)是wishbone相關(guān)信號(hào),。根據(jù)rd、wr讀寫信號(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)微碼指令的設(shè)計(jì),。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(gè)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(xì)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(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,，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(gè)跳轉(zhuǎn)Jmp 0x0809時(shí),，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(shí),，遇到前面兩個(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)寄存器的高低8位；執(zhí)行JMP指令時(shí),，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(shí)讀取下一條微碼指令,，可以做到每個(gè)時(shí)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(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,，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(jī)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(jì),，方便了外部設(shè)備的擴(kuò)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(gè)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(jī)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(shí)現(xiàn)，用微碼序列控制讀取Java指令,、存儲(chǔ)數(shù)據(jù),，實(shí)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(hào)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(gè)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(tái)的FPGA實(shí)現(xiàn)
4.1 外圍接口和模塊
　　測試平臺(tái)是以一塊xc2s200芯片為核心的簡單開發(fā)板,，全部設(shè)計(jì)都在此芯片內(nèi)實(shí)現(xiàn),，包括CPU邏輯、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 測試平臺(tái)框架
　　測試平臺(tái)框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。