JavaCard CPU的設計與FPGA實現

　　1 JavaCard簡介

　　智能卡是指集成了CPU、ROM、RAM、COS(芯片操作系統)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、電信等行業得到廣泛應用，但在發展過程中也遇到很多問題，主要有：各廠商指令集不統一；編程接口APIs太復雜；開發環境不通用，新卡開發都要熟悉開發環境；系統不兼容，專卡專用。由于開發門檻過高，影響了智能卡的發展。市場對智能卡的發展提出了新的要求，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，克服了智能卡開發技術太專業、開發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系統的實現有基于軟件虛擬機和基于硬件兩種方法。基于軟件虛擬機方法是在非Java處理器上用軟件方法模擬實現JavaCard平臺，在此平臺上實現JavaCard應用。基于硬件方法是硬件邏輯實現JavaCard處理器，在此硬件基礎上實現JavaCard平臺，再在此平臺上實現JavaCard應用。

　　2 Java處理器的實現方式比較

　　Java處理器有以下幾種實現方式：
　　(1)通用CPU+OS+Java軟件解釋器，軟件解釋執行Java指令。
　　(2)通用CPU+OS+Java JIT(Just-In-Time)編譯器，按塊編譯執行Java指令。
　　(3)Java加強CPU+OS+特殊的Java編譯器，充分使用Java加強硬件的優勢。
　　(4)Java 硬件CPU，本地支持Java指令，執行效率最高。

　　目前的Java系統是基于軟件虛擬機實現的，軟件解析執行Java指令，如(1)、(2)。用軟件實現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硬件實現部分Java指令，它需要特殊的編譯器來充分發揮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中實現的軟核。

　　3 JavaCard CPU的設計

　　3.1 Java CPU的硬件實現技術

　　在CPU的設計中，當從內存中取出下一條指令時，執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、計數器和其他一些邏輯部件轉移和操作數據，完成指令功能。微碼序列方法是在內部實現一個非常簡潔、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），將要執行的CUP指令作為索引，索引到微碼ROM中的某個地址，通過執行此地址處的一組微碼完成指令功能。

　　硬件邏輯方法的優點是能設計出更快的CPU，缺點是難以實現復雜的指令集，同時會導致芯片面積增大。微碼序列方法的優點是可以減小芯片的面積，實現復雜指令集，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行一條指令。硬件邏輯方法在執行CPU指令時，通常也是劃分為幾個階段執行，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，核心部分是微碼處理器，用微碼指令序列實現JavaCard指令。微碼處理器主要組成為：主控邏輯CORE，運算單元ALU，內部堆棧單元STACK，微碼ROM，微碼指令指針調整模塊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、數據通路、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，a ck，clk)；
　　x、y為輸入操作數，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為數據輸入輸出，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。根據微碼指針MCP，在MCR上輸出MCP處的微碼數據。
　　(4)微碼指令指針調整模塊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rd、wr讀寫信號，操作wishbone信號，等待wishbone的應答，然后將數據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。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據等。對于跳轉操作等必須帶后續操作數的指令采取變通方法，先將所需操作數存入內部寄存器，再執行跳轉等指令。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據。位15==1表示是數據，此時微碼的低8位是一個數據，處理此微碼時，要將此8位數據提取出來，存入內部寄存器；位15==0表示是指令。當需要執行一個跳轉Jmp 0x0809時，微碼序列方法使用三條微碼表示：
　　0x8008 //位15==1，是數據型微碼
　　0x8009
　　JMP //指令型微碼助記符
　　執行時，遇到前面兩個數據型微碼，會將08和09存入內部16位數據寄存器的高低8位；執行JMP指令時，隱含使用此內部數據寄存器。
　　(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行一條微碼。
　　(4)簡潔的主控邏輯。所有JavaCard指令均由微碼執行，不采用硬件陷入、軟件模擬方式，簡化了主控邏輯設計。主控模塊狀態機僅有EXEC_MC和HLT兩個狀態。CPU復位后，一直處于執行微碼EXEC_MC狀態，直到執行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采用內存映射方式統一編址，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。本段代碼體現了如何處理數據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
　　　　　　　　　　　　　//數據型微碼
　　　　　state[1：0]<=EXEC_MC；
　　　　end
　　　else
　　　　begin
　　　　　case(state[1：0])
　　　　　　EXEC_MC：
　　　　　　　begin//首先根據mcr的位15判斷是數據型
　　　　　　　　　　//微碼還是指令型微碼
　　　　　　　if(mcr[15])//mcr中存放微碼，位15==1表示
　　　　　　　　　　　　//此微碼是數據型，先保存高8位，再低8位
　　　　　　　　begin
　　　　　　　　　if(H_READED==1′b0)//首個數據型
　　　　　　　　　　　　　　　　　　//微碼，數據保存到高8位
　　　　　　　　　begin
　　　　　　　　　　{mcdata[15：8]}<=mcr[7：0]；
　　　　　　　　　　　　　　　　　　//mcdata是內部數據寄存器
　　　　　　　　　　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，宕機狀態處理
　　　　…
　　　endcase//end for state[1：0]
　　end//end for reset
end//end for always@(posedge clk or posedge reset)

　　系統采用微碼實現，用微碼序列控制讀取Java指令、存儲數據，實現Java指令。JavaCard指令被解釋執行的過程如下：

　　讀取JavaCard PC處的JavaCard指令至指令寄存器Instr，發出remap信號給微碼指針調整模塊MCPC，微碼指針寄存器MCP得到新的JavaCard指令對應的微碼序列首地址，MCP的變化使微碼指令寄存器MCR變為該微碼序列的首個微碼指令，再由微碼處理器執行此MCR中的微碼。

　　4 JavaCard CPU測試平臺的FPGA實現

　　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板，全部設計都在此芯片內實現，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

　　測試平臺框架結構如圖2所示。

　　4.3 結果說明

　　設計是用Verilog語言實現的,內部使用16位數據總線，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。對32位整型數的支持是可選的，本次沒有實現對32位整型數操作的指令，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條微碼指令執行（主要是有些面向對象的復雜指令需要更多的微碼解釋）。

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

　　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虛擬機標準要求。

　　實現JavaCard硬件CPU是JavaCard的發展方向。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指令集是面向對象的復雜指令集，很難直接用硬件實現。采用微碼方式實現是很好的選擇，每一條微碼對應一個很簡單的硬件動作，硬件實現容易，且使用的資源少。用微碼序列完成JavaCard指令，使硬件設計保持簡潔、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計；添加新功能支持的也只需要修改微碼，如硬件實現加密方法調用接口。JavaCard硬件CPU的實現必將促進JavaCard的應用。

　　參考文獻

1 Martin Schoeberl.JOP：A Java Optimized Processor.http：//www.jopdesign.com
2 Martin Schoeberl.Java Technology in an FPGA.http：//www.jopdesign.com