JavaCard指令处理器的FPGA设计

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。

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，ack，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，ac