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JavaCard指令处理器的FPGA设计和实现

归档日期:07-02       文本归类:指令处理      文章编辑:爱尚语录

  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。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。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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  (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:

  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。

  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。

  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。

  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。

  设计是用Verilog语言实现的,内部使用16位数据总线位的wishbone总线B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)。

  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。

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