JavaCard CPU的设计与FPGA实现之三

JavaCard CPU的设计与FPGA实现之三

　3.5 Verilog表述的微码处理器核心逻辑


　　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。



always@(posedge clk or posedge reset)
　　begin
　　　if(reset)
　　　　begin
　　　　　new_mcp[15：0]<=init_ADDR；//初始化微码

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//序列首地址
　　　　　{pop，push，alu_calc，memrd，memwr，load_mcp，hold_mcp，remap_mcp}<=8′b00000000；
　　　　　H_READED<=1′ b0；//表示是否读过了一次
　　　　　　　　　　　　　//数据型微码
　　　　　state[1：0]<=EXEC_MC；
　　　　end
　　　else
　　　　begin
　　　　　case(state[1：0])
　　　　　　EXEC_MC：
　　　　　　　begin//首先根据mcr的位15判断是数据型
　　　　　　　　　　//微码还是指令型微码
　　　　　　　if(mcr[15])//mcr中存放微码，位15==1表示
　　　　　　　　　　　　//此微码是数据型，先保存高8位，再低8位
　　　　　　　　begin
　　　　　　　　　if(H_READED==1′b0)//首个数据型
　　　　　　　　　　　　　　　　　　//微码，数据保存到高8位
　　　　　　　　　begin
　　　　　　　　　　{mcdata[15：8]}<=mcr[7：0]；
　　　　　　　　　　　　　　　　　　//mcdata是内部数据寄存器
　　　　　　　　　　H_READED<=1′b1；
　　　　　　　　　end
　　　　　　　else
　　　　　　　　　begin
　　　　　　　　　　{mcdata[7：0]}<=mcr[7：0]；
　　　　　　　　　　H_READED<=1′b0；
　　　　　　　　　end
　　　　　　end
　　　　　else//表示此微码是指令，根据后面的15位
　　　　　　　　//分支操作
　　　　　　begin
　　　　　　　　case(mcr[15：0])
　　　　　　　　　　YOUR_MICRO_CODE_INSTR：//
　　　　　　　　　　begin
　　　　　　　　　　　　……//定义的微码操作
　　　　　　　　　　end
　　　　　　　　　　　　……//其他微码指令处理
　　　　　　　　endcase
　　　　　　end//end for mcr为指令处理
　　　　end
　　　　HLT：//state[1：0]=HLT，宕机状态处理
　　　　…
　　　endcase//end for state[1：0]
　　end//end for reset
end//end for always@(posedge clk or posedge reset)

　　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。


4 JavaCard CPU测试平台的FPGA实现

　　4.1 外围接口和模块

　　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。


4.2 测试平台框架

　　测试平台框架结构如图2所示。


4.3 结果说明

　　设计是用Verilog语言实现的,内部使用16位数据总线，对外是8位的wishbone总线，微码ROM为4KB，外接512B的ROM和512B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）。

　　整个系统占用资源很少：4个Block RAM，2 052个Slice，可以在普通FPGA上实现。

　　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。

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。