16位Java嵌入式微处理器的设计的研究.pdfVIP

16位Java嵌入式微处理器的设计研究 牵飞卉唐小勇葛元庆羊蛀灌周润德 清华大学擞电子学研究所 ■叠t丰文舟绍了一种可直接执行Jav8字节码的嵌入式徽处理霉棱．该处理器核实现 Jlv^卡虚拟机(Jc憎)指夸集．类RIsc的藏水线加快了指耷的执行速度．设计 特殊的摄作数存取单元柬解决蕞裾相关问题，提尚堆栈攥作赦率；设计采徐法单 元，显著诫小执行部件面积． 关■两：嵌入式，JBva赴理嚣．Java卡虚挝机，堆找 1．引言 Java语言具有高安全性、高稳定性、代码紧凑、可移植性好和面向对象等特点，这使 得它特别适合于开放式网络和结构。JaⅧ智能卡作为新一代智能卡的理想选择，也正受到 世界许多著名智瞧卡厂商的密切注意和研究。它代表了智能卡技术的必威体育精装版发展方向。 h忱智能卡的核心技术是Java嵌入式微处理器。Java嵌入式微处理器能够直接执行Ja_va 字节码，因此它能够显著提高Java程序的执行速度，并节省宝贵的片上存储资源。 2．J黼嵌入式微处理器体系结构 1．面向堆栈的指令集 M∞h抽e(Jcvl垤)的指 本文所设计的J踟嵌入式微处理器用于实现Ja豫cafd_vi咖al 令集(JcVM是s衄公司对于Java卡虚拟机所定义的规范，已成为工业标准)。Java卡虚拟 机指令集针对智能卡最常用到的数据类型和操作，在Java虚拟机子集的基础上增加了针对 by钯和shoft类型的指令。整个指令集的编码与Java虚拟机指令集有很大不同。 妇va卡虚拟机(16位)指令集中有133条指令，为了提高代码的紧凑度，指令设计为 变长指令，而且长度短的指令使用频率较高。单字节指令占总指令教的39．8‰长度超过3 字节的指令只有6条。据统计．动态执行时，Java程序平均指令长度只有1．8字节。指令的 第一个字节为操作码，随后的字节通常为偏移量或寻址索引。绝大多数指令的操作数隐含在 堆栈顶部。正是这种面向堆栈的指令集使得微处理器的执行效率根大程度上取决于堆栈操作 的速度。 2．六级流水线结构 Java锻处理器吸收了～些RJSC的设计思想，采用类RJSC的体系结构．分六级流水， 以提高执行速度。如下图所示：取指F：从ROM和EEPROM中取出指令放入指令Buffer 中；指令译码阶段D：对指令的操作码进行译码，并判断该指令的长度．根据译码单元消耗 的字节数调整指令Bu彘f；取操作数O；操作数存取单元访问堆栈．获取操作敷{执行E： -176· 执行指令要求的删操作，计算 指令跳转地址．判断是否产生异 常等等I存储器访问Ml访问外 圈l六圾流水线结构 部存储器。进行相关数据的读写 操作．同时进行陷阱的优先级比 较；写回阶段wt将结果寄存器的值写回到堆栈中，并在触发陷阱条件满足时，进入陷阱处 理状态． · 如图2所示，嵌入式微处理器主要由指令缓冲及地址产生部件、译码部件、操作数存 取部件、执行部件、主控制器和陷阱处理电路组成。 I／O和抖部R删、R删压EE删 指令缓冲及地址产生部件(mu)从程 ———1万一————————r 序存储区取指令，并将指令发送到译码部件 进行译码。同时．地址产生部件为下一周期 取指作必要的运算。 译码部件(IDu)译码fBu发送来的