(1)運(yùn)算單元ALU

　　module alu(x，y，op，z，flag，calc，rst，ack，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(yùn)算結(jié)果標(biāo)志，calc為運(yùn)算使能控制信號(hào)，ack為運(yùn)算結(jié)束應(yīng)答。本模塊完成op定義的運(yùn)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(hào)，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信號(hào)對(duì)堆棧進(jìn)行操作。

　　(3)微碼ROM

　　module microcoderom(mcp，mcr);

　　MCP為微碼ROM的指針，MCR為微碼寄存器。根據(jù)微碼指針MCP，在MCR上輸出MCP處的微碼數(shù)據(jù)。

　　(4)微碼指令指針調(diào)整模塊MCPC

　　module mcpc(clk，rst，load，new_mcp，hold，remap，instr，mcp);

　　微碼指針有保持、重加載、重映射三種操作。重加載是用new_mcp的值作為新的MCP值。重映射是將CPU指令I(lǐng)nstr對(duì)應(yīng)的微碼序列首地址作為新的MCP值。

　　load信號(hào)有效，用new_mcp的值給MCP賦值;

　　hold信號(hào)有效，保持MCP值不變;

　　remap信號(hào)有效，則將CPU指令I(lǐng)nstr做為索引，得到Instr指令對(duì)應(yīng)的微碼序列首地址，將首地址賦給MCP。

　　以上三個(gè)信號(hào)均無效時(shí)，每時(shí)鐘MCP自動(dòng)加1。

　　(5)外存讀寫接口MEMRW

　　module memrw(clk，addr，data_read_in，data_write_out，ack，rst，rd，wr，wb_stb_out，wb_cyc_out，wb_ack_in，wb_addr_out， wb_data_in，wb_data_out，wb_we_out);

　　對(duì)外接口采用開源的wishbone總線標(biāo)準(zhǔn)，wb*信號(hào)是wishbone相關(guān)信號(hào)。根據(jù)rd、wr讀寫信號(hào)，操作wishbone信號(hào)，等待wishbone的應(yīng)答，然后將數(shù)據(jù)和應(yīng)答信號(hào)反饋給主控模塊。

　　3.4 本JavaCard CPU設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

　　(1)主控模塊與其他從模塊之間用使能信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)保持同步，從模塊在完成操作后只需給出應(yīng)答信號(hào)，即可匹配不同速度的從模塊。

　　(2)微碼指令的設(shè)計(jì)。所有的微碼指令為單指令，即不帶任何操作數(shù)。微碼指令本身包含所需操作的信息，如在哪兩個(gè)寄存器之間轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)等。對(duì)于跳轉(zhuǎn)操作等必須帶后續(xù)操作數(shù)的指令采取變通方法，先將所需操作數(shù)存入內(nèi)部寄存器，再執(zhí)行跳轉(zhuǎn)等指令。詳細(xì)示例為：

　　微碼定義為16位。位15指示本微碼是指令還是數(shù)據(jù)。位15==1表示是數(shù)據(jù)，此時(shí)微碼的低8位是一個(gè)數(shù)據(jù)，處理此微碼時(shí)，要將此8位數(shù)據(jù)提取出來，存入內(nèi)部寄存器;位15==0表示是指令。當(dāng)需要執(zhí)行一個(gè)跳轉(zhuǎn)Jmp 0x0809時(shí)，微碼序列方法使用三條微碼表示：

　　0x8008 //位15==1，是數(shù)據(jù)型微碼

　　0x8009

　　JMP //指令型微碼助記符

　　執(zhí)行時(shí)，遇到前面兩個(gè)數(shù)據(jù)型微碼，會(huì)將08和09存入內(nèi)部16位數(shù)據(jù)寄存器的高低8位;執(zhí)行JMP指令時(shí)，隱含使用此內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器。

　　(3)所有的微碼指令是單周期指令。由于采用了(2)中所述的單指令微碼，在執(zhí)行當(dāng)前微碼指令的同時(shí)讀取下一條微碼指令，可以做到每個(gè)時(shí)鐘執(zhí)行一條微碼。

　　(4)簡潔的主控邏輯。所有JavaCard指令均由微碼執(zhí)行，不采用硬件陷入、軟件模擬方式，簡化了主控邏輯設(shè)計(jì)。主控模塊狀態(tài)機(jī)僅有EXEC_MC和HLT兩個(gè)狀態(tài)。CPU復(fù)位后，一直處于執(zhí)行微碼EXEC_MC狀態(tài)，直到執(zhí)行HLT微碼指令。

　　(5)適應(yīng)性好。采用了應(yīng)答機(jī)制，可以匹配不同速度的部件;對(duì)外采用wishbone總線，簡化了各部件接口的設(shè)計(jì)，方便了外部設(shè)備的擴(kuò)充。

　　(6)I/O采用內(nèi)存映射方式統(tǒng)一編址，避免了非Java指令的引入，保證了兼容性。

　　3.5 Verilog表述的微碼處理器核心邏輯

　　下面是主控邏輯框架代碼的一部分。本段代碼體現(xiàn)了如何處理數(shù)據(jù)型微碼和指令型微碼，可以在YOUR_MICRO_CODE_INSTR處添加需要的微碼指令以及對(duì)應(yīng)的操作。

　　always@(posedge clk or posedge reset)

　　begin

　　if(reset)

　　begin

　　new_mcp[15：0]<=init_ADDR;//初始化微碼

　　//序列首地址

　　{pop，push，alu_calc，memrd，memwr，load_mcp，hold_mcp，remap_mcp}<=8′b00000000;

　　H_READED<=1′b0;//表示是否讀過了一次

　　//數(shù)據(jù)型微碼

　　state[1：0]<=EXEC_MC;

　　end

　　else

　　begin

　　case(state[1：0])

　　EXEC_MC：

　　begin//首先根據(jù)mcr的位15判斷是數(shù)據(jù)型

　　//微碼還是指令型微碼

　　if(mcr[15])//mcr中存放微碼，位15==1表示

　　//此微碼是數(shù)據(jù)型，先保存高8位，再低8位

　　begin

　　if(H_READED==1′b0)//首個(gè)數(shù)據(jù)型

　　//微碼，數(shù)據(jù)保存到高8位

　　begin

　　{mcdata[15：8]}<=mcr[7：0];

　　//mcdata是內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器

　　H_READED<=1′b1;

　　end

　　else

　　begin

　　{mcdata[7：0]}<=mcr[7：0];

　　H_READED<=1′b0;

　　end

　　end

　　else//表示此微碼是指令，根據(jù)后面的15位

　　//分支操作

　　begin

　　case(mcr[15：0])

　　YOUR_MICRO_CODE_INSTR：//

　　begin

　　……//定義的微碼操作

　　end

　　……//其他微碼指令處理

　　endcase

　　end//end for mcr為指令處理

　　end

　　HLT：//state[1：0]=HLT，宕機(jī)狀態(tài)處理

　　…

　　endcase//end for state[1：0]

　　end//end for reset

　　end//end for always@(posedge clk or posedge reset)

　　系統(tǒng)采用微碼實(shí)現(xiàn)，用微碼序列控制讀取Java指令、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)Java指令。JavaCard指令被解釋執(zhí)行的過程如下：

　　讀取JavaCard PC處的JavaCard指令至指令寄存器Instr，發(fā)出remap信號(hào)給微碼指針調(diào)整模塊MCPC，微碼指針寄存器MCP得到新的JavaCard指令對(duì)應(yīng)的微碼序列首地址，MCP的變化使微碼指令寄存器MCR變?yōu)樵撐⒋a序列的首個(gè)微碼指令，再由微碼處理器執(zhí)行此MCR中的微碼。