1、智能卡操作系統(tǒng)仿真器系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)智能卡操作系統(tǒng)仿真器系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)一、前言如今智能卡芯片和卡片成品的開(kāi)發(fā)與消費(fèi)已經(jīng)形成了一個(gè)世界性的新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)。我國(guó)于1993年,以電子貨幣應(yīng)用為重點(diǎn)的各類卡基應(yīng)用系統(tǒng)工程即金卡工程正式啟動(dòng)。它涉及眾多部門(mén)，是一項(xiàng)跨部門(mén)、跨地區(qū)、跨行業(yè)、跨世紀(jì)的龐大社會(huì)系統(tǒng)工程，也是中國(guó)信息化、產(chǎn)業(yè)化開(kāi)展的綱要和指南。開(kāi)發(fā)智能卡，其關(guān)鍵在于開(kāi)發(fā)智能卡上所嵌入的集成電路芯片以及安置在芯片內(nèi)的應(yīng)用程序暨片內(nèi)操作系統(tǒng)hip-perating-Syste,S。由于集成電路的流片費(fèi)用昂貴、流片加工周期長(zhǎng)，所以無(wú)論從本錢控制上、還是市場(chǎng)需要上，保證一次設(shè)計(jì)成功至為關(guān)鍵。為了實(shí)現(xiàn)這一目的

2、，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一套智能卡操作系統(tǒng)S仿真器系統(tǒng)顯得尤為必要和重要。1、仿真器系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能IU92開(kāi)發(fā)系統(tǒng)DS92是針對(duì)ID自行設(shè)計(jì)的IU92系列PU、結(jié)合I卡的有關(guān)特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的軟硬件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境基于inds環(huán)境。DS92主要有兩大功能：匯編語(yǔ)言編譯和硬件仿真。硬件仿真提供了不同層次的硬件仿真手段，便于用戶根據(jù)應(yīng)用開(kāi)發(fā)程度選擇相應(yīng)的仿真形式。DS92是針對(duì)PU卡的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，既有一般PU開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的共性包括根本的匯編語(yǔ)言編譯器、單步運(yùn)行、斷點(diǎn)設(shè)置、設(shè)置顯示PUSFR內(nèi)容、設(shè)置顯示PURA內(nèi)容、設(shè)置顯示PUR內(nèi)容、設(shè)置顯示PUEEPR內(nèi)容，也有一些I卡特有的仿真方法，例如內(nèi)部復(fù)位(internalrs

3、t)形式、外部復(fù)位(externalrst)形式、實(shí)(release)形式、I卡與讀卡器(reader)的互相作用關(guān)系遵循IS7816-3協(xié)議。主要功能如下：1提供S程序可以是匯編語(yǔ)言、語(yǔ)言等，下同代碼編制、編輯環(huán)境；2提供將S程序代碼編譯為智能卡中央處理單元PU可以執(zhí)行的機(jī)器指令碼的編譯環(huán)境；3實(shí)現(xiàn)將編譯后的機(jī)器指令碼下載到仿真器，并由仿真器執(zhí)行的功能；4可以設(shè)置S程序執(zhí)行斷點(diǎn)，支持單步運(yùn)行、多步運(yùn)行、子程序調(diào)用、跳轉(zhuǎn)、連續(xù)運(yùn)行等調(diào)試Debug功能；5可以實(shí)時(shí)查看卡內(nèi)PU的內(nèi)部RA、存放器單元；6可以實(shí)時(shí)查看S程序執(zhí)行后的數(shù)據(jù)結(jié)果；7仿真運(yùn)行需要的其它輔助性功能。圖1DS92S仿真器系統(tǒng)框圖

4、2、仿真器系統(tǒng)總體方案DS92從邏輯上可以分為軟件和硬件兩大局部，其組成示意圖如圖1。其中硬件仿真板與P軟件IDE之間通訊采用USBv1.1通訊協(xié)議；硬件仿真板與讀卡器reader之間的通訊遵守IS7816-3。硬件仿真板從硬件角度仿真IU92PU卡，包括PU硬件、PURA區(qū)域、PUR區(qū)域、PUEEPR區(qū)域，此外，為硬件仿真提供必要的硬件支持。整個(gè)硬件仿真板由一個(gè)監(jiān)控PU(U)進(jìn)展管理協(xié)調(diào)，U還負(fù)責(zé)完成與P之間的通訊。用戶通過(guò)IDE軟件提供的命令使用開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，用戶可以在開(kāi)發(fā)系統(tǒng)集成環(huán)境中，創(chuàng)立、編輯、刪除工程；輸入、編輯、編譯匯編語(yǔ)言程序；生成用于硬件仿真、生成R掩膜碼點(diǎn)的二進(jìn)制目的文件。ID

5、E軟件可以與硬件開(kāi)發(fā)板配合使用，也可以單獨(dú)使用。IDE軟件單獨(dú)使用時(shí)，只能進(jìn)展工程管理、編輯和編譯匯編語(yǔ)言程序、目的代碼消費(fèi)等工作。只有與硬件仿真板配合使用才能真正進(jìn)展硬件仿真。DS92S仿真系統(tǒng)需要著重解決下面的問(wèn)題：1Debug才能：硬件程序執(zhí)行跟蹤、程序下載2仿真器不能占用用戶資源，即I卡PU仿真核功能與真正卡片完全一樣3仿真系統(tǒng)的效率：程序下載效率、debug效率，主要是通訊效率、debug信息反應(yīng)效率4斷點(diǎn)個(gè)數(shù)不限三、仿真器系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、硬件仿真器板的設(shè)計(jì)仿真器板的設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)局部：I卡芯片PU設(shè)計(jì)、運(yùn)行監(jiān)控PU設(shè)計(jì)和電路板設(shè)計(jì)。下面給出簡(jiǎn)單介紹。圖2IDE系統(tǒng)主界面1I卡PU設(shè)計(jì)

6、I卡PU的功能是模擬卡內(nèi)PU并執(zhí)行S程序中的指令代碼，同時(shí)支持debug，即允許監(jiān)控PU讀取或改寫(xiě)其內(nèi)的RA、存放器單元、進(jìn)展單步運(yùn)行等。在DS92中采用現(xiàn)場(chǎng)可編程器件FPGA實(shí)現(xiàn)I卡PU的邏輯功能。2監(jiān)控PU設(shè)計(jì)監(jiān)控PU的功能主要是：(a)通訊功能：通過(guò)通信電纜接收IDE發(fā)出的命令、控制I卡PU完成有關(guān)動(dòng)作、返回命令結(jié)果給IDE；監(jiān)控PU在DS92系統(tǒng)中起著承上啟下的作用。(b)Debug功能的實(shí)現(xiàn)：程序下載、控制啟動(dòng)、停頓I卡PU的運(yùn)行、讀取或改寫(xiě)I卡PU內(nèi)的RA、存放器單元、設(shè)置S程序執(zhí)行斷點(diǎn)、單步運(yùn)行、多步運(yùn)行、連續(xù)運(yùn)行并回送執(zhí)行結(jié)果；可以采用Intel8051/52系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控

7、PU。3電路板設(shè)計(jì)電路板設(shè)計(jì)圍繞debug功能及其效率實(shí)現(xiàn)：(a)FPGA實(shí)現(xiàn)I卡PU功能(b)RA芯片仿真I卡中存儲(chǔ)S程序代碼的R()不揮發(fā)RA芯片仿真I卡存儲(chǔ)應(yīng)用數(shù)據(jù)的EEPR(d)8051芯片用于實(shí)現(xiàn)監(jiān)控U(e)RA芯片實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)存儲(chǔ)器，支持任意個(gè)數(shù)的斷點(diǎn)設(shè)置(f)為了方便I卡S，在系統(tǒng)中集成了PUI卡讀寫(xiě)器電路圖3IDE系統(tǒng)主界面(晉級(jí)版)圖4S程序源代碼編輯窗口圖5組織源代碼編輯窗口圖6編譯器編譯輸出信息窗口-2論文聯(lián)盟圖6:IDE調(diào)試器窗口2、集成開(kāi)發(fā)調(diào)試軟件系統(tǒng)IDE設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)實(shí)際上，運(yùn)行在P機(jī)端的S集成開(kāi)發(fā)調(diào)試軟件系統(tǒng)是整個(gè)仿真器系統(tǒng)的另一個(gè)核心組成局部。由于S程序的開(kāi)發(fā)者是通過(guò)使

8、用該IDE人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)、完成S程序開(kāi)發(fā)、調(diào)試的各個(gè)過(guò)程，包括S程序源代碼編寫(xiě)、編輯；源程序編譯；程序代碼下載；運(yùn)行、跟蹤、調(diào)試等等，因此，IDE軟件也是整個(gè)仿真器系統(tǒng)的靈魂。人機(jī)界面是否友好、各種功能是否強(qiáng)大、靈敏、模塊化設(shè)計(jì)程度是否完善等直接影響到系統(tǒng)的實(shí)用性、可操作性和可維護(hù)性?？梢?jiàn)，整體設(shè)計(jì)方案的前詹性、合理性至為關(guān)鍵。IDE程序人機(jī)界面有以下幾個(gè)局部組成：1命令菜單區(qū)2S程序源代碼編寫(xiě)、編輯窗口3S程序源代碼編譯窗口4S程序調(diào)試窗口：包括源程序代碼行顯示區(qū)，存放器顯示區(qū)，RA單元顯示區(qū)，程序計(jì)數(shù)器P顯示區(qū)以及運(yùn)行狀態(tài)顯示區(qū)。IDE人機(jī)界面程序編程語(yǔ)言選用irsftVisual+5.0以

9、上版本。以下是實(shí)際系統(tǒng)的幾個(gè)主要顯示畫(huà)面。3、IDE與仿真器板之間通信協(xié)議的設(shè)計(jì)IDE與仿真器板之間的通信采取懇求、應(yīng)答的形式，即每一個(gè)操作命令都是由IDE發(fā)送一個(gè)懇求或命令，仿真器板收到相應(yīng)的懇求或命令后即執(zhí)行相應(yīng)的操作，然后將執(zhí)行結(jié)果回送給IDE。雙方之間的通信協(xié)議定義如下：1IDE懇求或命令包ShdData_HData_LDatahkSu2仿真器板應(yīng)答包AkdRespnse_HRespnse_LRespnsehkSu3校驗(yàn)和hkSu的計(jì)算hkSu為單字節(jié)，其數(shù)值為其前面的、本數(shù)據(jù)包內(nèi)所有字節(jié)的累加和不考慮進(jìn)位情況。四、系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)1、S程序源代碼編譯器由于智能卡內(nèi)的PU內(nèi)

10、核沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因此，不同公司設(shè)計(jì)的PU核，雖然在所實(shí)現(xiàn)的功能上大同小異，但是其指令集、指令碼卻不盡一樣也不能一樣，否那么有可能侵權(quán)。因此，針對(duì)仿真器所仿真的智能卡的PU核，必須制定與其指令集、指令碼對(duì)應(yīng)的編程語(yǔ)言如匯編語(yǔ)言、語(yǔ)言、Java語(yǔ)言以及語(yǔ)法規(guī)那么等等，借助這些語(yǔ)言，智能卡S開(kāi)發(fā)者才能用其開(kāi)發(fā)、編制S程序。S程序源代碼編譯器是整個(gè)仿真器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重中之重，它必須與智能卡PU指令碼的編程語(yǔ)言及其語(yǔ)法、規(guī)那么等相對(duì)應(yīng)，編譯準(zhǔn)確度必須是100%，當(dāng)然編譯速度也越快越好。2、通信接口監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)IDE與仿真器板之間的通信采取懇求、應(yīng)答的形式。針對(duì)調(diào)試者點(diǎn)擊或發(fā)出的每一個(gè)菜單命令，IDE都會(huì)通過(guò)通信接口RS-232或USB等向仿真器板發(fā)送一個(gè)懇求或命令協(xié)議數(shù)據(jù)包，仿真器板收到協(xié)議數(shù)據(jù)包后，首先對(duì)其進(jìn)展解析，按照各種協(xié)議包的約定，進(jìn)展相應(yīng)的處理，最后將處理結(jié)果的協(xié)議數(shù)據(jù)包回送給IDE，由IDE再進(jìn)展后續(xù)處理，至此完成了一個(gè)會(huì)話任務(wù)的全過(guò)程。由于存在通信線路故障、數(shù)據(jù)包喪失或不完好等可能性，造成IDE發(fā)送完懇求或命令后可能收不到正確的響應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致IDE系統(tǒng)死機(jī)后調(diào)試數(shù)據(jù)的喪失。為應(yīng)對(duì)、防止或防止類似情況，通信接口監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)需要采用中斷方式、事件觸發(fā)方式或程序多線程方式。五、完畢語(yǔ)運(yùn)用本文提出的設(shè)計(jì)思想，已