智能卡是指集成了cpu、rom、ram、cos(芯片操作系統(tǒng))和eeprom，能儲存信息和圖像，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，允許智能卡運行 java編寫的應(yīng)用程序。javacard技術(shù)繼承了java語言的優(yōu)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(shè)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(tǒng)的實現(xiàn)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(xiàn)javacard平臺，在此平臺上實現(xiàn)javacard應(yīng)用�；谟布椒ㄊ怯布壿媽崿F(xiàn)javacard處理器，在此硬件基礎(chǔ)上實現(xiàn)javacard平臺，再在此平臺上實現(xiàn)javacard應(yīng)用。

2 java處理器的實現(xiàn)方式比較

　　java處理器有以下幾種實現(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cpu+os+特殊的java編譯器，充分使用java加強硬件的優(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)是基于軟件虛擬機實現(xiàn)的，軟件解析執(zhí)行java指令，如(1)、(2)。用軟件實現(xiàn)javacard虛擬機，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，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(xiàn)的軟核。

3 javacard cpu的設(shè)計

3.1 java cpu的硬件實現(xiàn)技術(shù)

　　在cpu的設(shè)計中，當(dāng)從內(nèi)存中取出下一條指令時，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)部實現(xiàn)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(yīng)很簡單的硬件動作（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)點是能設(shè)計出更快的cpu，缺點是難以實現(xiàn)復(fù)雜的指令集，同時會導(dǎo)致芯片面積增大。微碼序列方法的優(yōu)點是可以減小芯片的面積，實現(xiàn)復(fù)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(zhí)行一條指令。硬件邏輯方法在執(zhí)行cpu指令時，通常也是劃分為幾個階段執(zhí)行，同樣需要幾個時鐘。實際設(shè)計中采用哪種方法要權(quán)衡利弊，在速度不是關(guān)鍵時，微碼序列方法是個很好的選擇。

3.2 javacard cpu結(jié)構(gòu)

　　javacard cpu采用微碼實現(xiàn)，核心部分是微碼處理器，用微碼指令序列實現(xiàn)javacard指令。微碼處理器主要組成為：主控邏輯core，運算單元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(shù)，op為操作碼，z為輸出結(jié)果，flag為輸出運算結(jié)果標(biāo)志，calc為運算使能控制信號，ack為運算結(jié)束應(yīng)答。本模塊完成op定義的運算，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，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