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動(dòng)態(tài)邏輯分區(qū)并控制訪問權(quán)限的IC智能卡及其實(shí)現(xiàn)方法背景
在信息社會(huì)，人們對(duì)信息載體的安全性、可靠性、易用性等方面提出了更高的要求。具有存儲(chǔ)、加密及數(shù)據(jù)處理能力的IC智能卡，以其嚴(yán)密的數(shù)據(jù)安全性，廣泛的應(yīng)用靈活性和*的功能擴(kuò)展性，為現(xiàn)代信息的處理和傳遞提供了一種便捷可靠的手段。
在IC智能卡芯片中常用到的存儲(chǔ)器有隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）、只讀存儲(chǔ)器（ROM）、可編程非易失性存儲(chǔ)器（EEPROM或FLASH MEMORY）。RAM一般用于存放運(yùn)算過程中的中間數(shù)據(jù)或變量，具有高速存取數(shù)據(jù)能力，但是掉電后存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)會(huì)丟失，而且面積較大；ROM可用于存放IC智能卡的操作系統(tǒng)（COS）、常數(shù)、與安全和認(rèn)證相關(guān)的加密算法或其它通用應(yīng)用程序，它的存儲(chǔ)容量大、集成度高、性能穩(wěn)定可靠，但數(shù)據(jù)只能讀出，無法改寫；EEPROM（或FLASH MEMORY）可用于存放IC智能卡的操作系統(tǒng)、用戶數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)，能進(jìn)行讀寫操作，面積適中，但寫入速度較慢。
根據(jù)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量、存取時(shí)間、功耗、面積和使用壽命等特性，合理分配存儲(chǔ)器空間，采用不同的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器組合作為系統(tǒng)存儲(chǔ)器具有極重要 的意義，因?yàn)樗鼘?duì)芯片的功耗，工作頻率和成本等方面具有很大影響。
IC智能卡芯片的存儲(chǔ)器分區(qū)結(jié)構(gòu)有兩種：一種是物理分區(qū)結(jié)構(gòu)；另一種是邏輯分區(qū)結(jié)構(gòu)。對(duì)于物理分區(qū)結(jié)構(gòu)來說，是將幾種不同的存儲(chǔ)器（如ROM，RAM，EEPROM等）集成在一個(gè)IC卡芯片中，由控制電路統(tǒng)一進(jìn)行管理；而對(duì)于邏輯分區(qū)結(jié)構(gòu)來說，是人為規(guī)定存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)單元的應(yīng)用屬性，以達(dá)到可控訪問的目的。
傳統(tǒng)的IC智能卡芯片由微處理器、存儲(chǔ)器和I/O接口電路組成，一般采用ROM作為程序存儲(chǔ)區(qū)，EEPROM（或FLASH MEMORY）作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)使用，這種存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)組合很適合于大批量定型產(chǎn)品，其成本和安全性均能得到有效保證，但它的缺陷是它缺乏靈活性，固化在ROM中的COS無法根據(jù)新業(yè)務(wù)需求進(jìn)行修改或補(bǔ)充。如何提供高質(zhì)量、多樣化、個(gè)性化的增值服務(wù)，成為了各服務(wù)商不懈努力的方向，而原有的芯片結(jié)構(gòu)是無法滿足這種需求的。因此出現(xiàn)了EEPROM（或FLASH MEMORY）既作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，也作為程序存儲(chǔ)器的IC智能卡（參見中國申請00136740.4），使物理地址連續(xù)完整的一個(gè)物理存儲(chǔ)器，在邏輯上能夠按照不同應(yīng)用劃分為不同的存儲(chǔ)區(qū)域，各存儲(chǔ)區(qū)域分別完成不同功能。這種劃分，為服務(wù)商推出新業(yè)務(wù)提供了較強(qiáng)的靈活性，如電子商務(wù)動(dòng)態(tài)菜單下載、增值業(yè)務(wù)空中下載等，但是這種結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器等邏輯分區(qū)的劃分在芯片設(shè)計(jì)完成后，其大小就無法改變，并且只能進(jìn)行應(yīng)用數(shù)據(jù)下載。
另一種IC智能卡存儲(chǔ)器管理是通過在COS中增加存儲(chǔ)器管理功能來實(shí)現(xiàn)的（參見公開號(hào)為WO01/16759A1的PCT申請），如圖4A所示，是以軟件實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器管理的IC智能卡的系統(tǒng)框圖。在這種方式下，對(duì)存儲(chǔ)器的管理由操作系統(tǒng)（OS）來完成。應(yīng)用程序產(chǎn)生的存儲(chǔ)器訪問請求被傳送到操作系統(tǒng)（OS），操作系統(tǒng)（OS）根據(jù)預(yù)先設(shè)定的訪問權(quán)限來判斷應(yīng)用程序?qū)Υ鎯?chǔ)器的訪問是否合法，以是否產(chǎn)生相應(yīng)的操作。[1]
動(dòng)態(tài)邏輯分區(qū)并控制訪問權(quán)限的IC智能卡及其實(shí)現(xiàn)方法發(fā)明內(nèi)容
動(dòng)態(tài)邏輯分區(qū)并控制訪問權(quán)限的IC智能卡及其實(shí)現(xiàn)方法目的
《動(dòng)態(tài)邏輯分區(qū)并控制訪問權(quán)限的IC智能卡及其實(shí)現(xiàn)方法》的一個(gè)目的是在硬件電路上提供一種具有動(dòng)態(tài)劃分多邏輯分區(qū)功能和存儲(chǔ)器訪問控制功能的IC智能卡。程序員可以根據(jù)實(shí)際需要，將IC智能卡芯片內(nèi)的物理存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)劃分為多邏輯分區(qū)，并且進(jìn)行存儲(chǔ)器訪問控制管理，從而適應(yīng)不同應(yīng)用對(duì)存儲(chǔ)區(qū)大小和訪問權(quán)限的需求。該發(fā)明的另一目的是提供了一種將上述IC智能卡中的一個(gè)物理存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)劃分為多個(gè)邏輯分區(qū)、并對(duì)卡內(nèi)存儲(chǔ)器進(jìn)行訪問權(quán)限控制的方法。[1]
動(dòng)態(tài)邏輯分區(qū)并控制訪問權(quán)限的IC智能卡及其實(shí)現(xiàn)方法技術(shù)方案
《動(dòng)態(tài)邏輯分區(qū)并控制訪問權(quán)限的IC智能卡及其實(shí)現(xiàn)方法》適用于具有如下體系結(jié)構(gòu)的IC智能卡芯片：
●程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開編址；
●指令由操作碼和地址碼組成；
●I/O接口與存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)交換通過微處理器協(xié)助完成。
依據(jù)該發(fā)明的個(gè)方面，提供了一種具有動(dòng)態(tài)劃分多邏輯分區(qū)和存儲(chǔ)器訪問控制功能的IC智能卡芯片，它包括微處理器、存儲(chǔ)器組和串行I/O接口電路等，其中存儲(chǔ)器組采用混合存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，包括可編程非易失性存儲(chǔ)器（如EEPROM或FLASH MEMORY）。在微處理器內(nèi)增加存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)劃分寄存器MAR（memoryallocation register），在微處理器與存儲(chǔ)器組之間有一個(gè)存儲(chǔ)器管理模塊。如圖4B所示為改進(jìn)了存儲(chǔ)器管理的IC智能卡的系統(tǒng)框圖。存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)劃分寄存器MAR是程序員可訪問的特殊功能寄存器，可由程序員根據(jù)需要在其中動(dòng)態(tài)設(shè)置可編程非易失性存儲(chǔ)器中各邏輯分區(qū)的大小。
存儲(chǔ)器管理模塊用于根據(jù)存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)劃分寄存器MAR中的值，將非易失性存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)劃分為多個(gè)邏輯分區(qū)，并控制所有微處理器訪問存儲(chǔ)器組的操作。
存儲(chǔ)器管理模塊包含以下模塊：可動(dòng)態(tài)劃分存儲(chǔ)器邏輯分區(qū)地址生成模塊，根據(jù)MAR的值，生成可編程非易失性存儲(chǔ)器中各邏輯分區(qū)的地址范圍；地址譯碼模塊，在COS通過微處理器對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行訪問時(shí)對(duì)系統(tǒng)輸入地址 ADDR_IN進(jìn)行譯碼；存儲(chǔ)器選擇模塊，依據(jù)由地址譯碼模塊譯碼后產(chǎn)生的地址選擇微處理器訪問的存儲(chǔ)器；指令譯碼模塊，對(duì)微處理器內(nèi)指令寄存器中存儲(chǔ)的指令進(jìn)行譯碼從而判斷操作類型；讀寫權(quán)限控制模塊，根據(jù)PC指針和存儲(chǔ)器訪問權(quán)限決定是否能對(duì)存儲(chǔ)器選擇模塊選取的存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫操作；存儲(chǔ)器接口控制信號(hào)生成模塊，依據(jù)上述判斷結(jié)果，如果可以對(duì)所選存儲(chǔ)器進(jìn)行訪問操作，則產(chǎn)生相應(yīng)的存儲(chǔ)器控制信號(hào)，如果禁止進(jìn)行操作，即使微處理器產(chǎn)生了存儲(chǔ)器訪問控制信號(hào)，也將會(huì)被存儲(chǔ)器管理模塊屏蔽，不進(jìn)行讀寫操作，從而硬件實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)物理存儲(chǔ)器內(nèi)動(dòng)態(tài)劃分多邏輯分區(qū)及存儲(chǔ)器訪問權(quán)限控制。
依據(jù)該發(fā)明的另一方面，還提供了一種將上述IC智能卡中的一個(gè)物理存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)劃分為多個(gè)邏輯分區(qū)，并對(duì)卡內(nèi)存儲(chǔ)器進(jìn)行訪問權(quán)限控制的方法。該方法包含以下步驟：在微處理器內(nèi)增加存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)劃分寄存器MAR，在其中設(shè)置可編程非易失性存儲(chǔ)器中各邏輯分區(qū)的大小；根據(jù)存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)劃分寄存器MAR中的值，生成可動(dòng)態(tài)劃分存儲(chǔ)器中各邏輯分區(qū)的地址范圍，根據(jù)地址劃分界限將可動(dòng)態(tài)劃分存儲(chǔ)器劃分成不同邏輯分區(qū)；根據(jù)邏輯分區(qū)結(jié)果，對(duì)CPU當(dāng)前工作狀態(tài)進(jìn)行判斷，完成對(duì)各個(gè)存儲(chǔ)器模塊的訪問權(quán)限控制。
其中所述完成對(duì)各個(gè)存儲(chǔ)器模塊的訪問權(quán)限控制的步驟包括：在COS通過微處理器對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行訪問時(shí)，微處理器將產(chǎn)生系統(tǒng)地址信號(hào)ADDR_IN、以及存儲(chǔ)器訪問控制信號(hào)，如果是寫入操作，數(shù)據(jù)總線上還將加載欲寫入數(shù)據(jù)信息；對(duì)系統(tǒng)輸入地址ADDR_IN進(jìn)行譯碼；依據(jù)譯碼后產(chǎn)生的地址選擇微處理器訪問的存儲(chǔ)器；對(duì)微處理器內(nèi)指令寄存器中存儲(chǔ)的指令進(jìn)行譯碼從而判斷操作類型；根據(jù)PC指針 和存儲(chǔ)器訪問權(quán)限決定是否能對(duì)存儲(chǔ)器選擇模塊選取的存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫操作；依據(jù)上述判斷結(jié)果，如果可以對(duì)所選存儲(chǔ)器進(jìn)行訪問操作，則產(chǎn)生相應(yīng)的存儲(chǔ)器控制信號(hào)，如果禁止進(jìn)行操作，即使微處理器產(chǎn)生了存儲(chǔ)器訪問控制信號(hào)，也將會(huì)被存儲(chǔ)器管理模塊屏蔽，不進(jìn)行讀寫操作，從而實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)物理存儲(chǔ)器內(nèi)動(dòng)態(tài)劃分多邏輯分區(qū)及存儲(chǔ)器訪問權(quán)限控制。
在微處理器和存儲(chǔ)器組之間設(shè)置存儲(chǔ)器管理模塊，由其控制微處理器對(duì)存儲(chǔ)器組的所有操作，并且該存儲(chǔ)器管理模塊和存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)劃分寄存器MAR結(jié)合后，可以動(dòng)態(tài)調(diào)整EEPROM等非易失性存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)和程序存儲(chǔ)區(qū)兩個(gè)分區(qū)的大小。邏輯分區(qū)動(dòng)態(tài)調(diào)整后，可以滿足不同應(yīng)用對(duì)存儲(chǔ)區(qū)大小的需求，或是通過修改EEPROM等非易失性存儲(chǔ)器中程序存儲(chǔ)區(qū)的代碼，即可增加新的應(yīng)用或?qū)袒赗OM中的程序進(jìn)行修正，不會(huì)因?yàn)閼?yīng)用的不同，而必須重新進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)和芯片制造，節(jié)省了開發(fā)時(shí)間與成本，為基于智能卡的增值業(yè)務(wù)的升級(jí)和擴(kuò)展提供了高效、靈活的硬件平臺(tái)。[1]
動(dòng)態(tài)邏輯分區(qū)并控制訪問權(quán)限的IC智能卡及其實(shí)現(xiàn)方法改善效果
《動(dòng)態(tài)邏輯分區(qū)并控制訪問權(quán)限的IC智能卡及其實(shí)現(xiàn)方法》通過動(dòng)態(tài)設(shè)置存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)劃分寄存器MAR的值，并結(jié)合存儲(chǔ)器管理模塊4，可以動(dòng)態(tài)調(diào)整非易失性存儲(chǔ)器中各個(gè)邏輯分區(qū)的大小，以適應(yīng)不同應(yīng)用對(duì)存儲(chǔ)區(qū)大小的需求；另外，修改非易失性存儲(chǔ)器中程序存儲(chǔ)區(qū)的代碼，即可增加新的應(yīng)用或是對(duì)固化在ROM中的程序進(jìn)行修正，不會(huì)因?yàn)閼?yīng)用略有不同而必須重新進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)和芯片制造，從而節(jié)省了開發(fā)時(shí)間與成本，為基于智能卡的增值業(yè)務(wù)的升級(jí)和擴(kuò)展提供了高效、靈活的硬件平臺(tái)。[1]
動(dòng)態(tài)邏輯分區(qū)并控制訪問權(quán)限的IC智能卡及其實(shí)現(xiàn)方法附圖說明
圖1為動(dòng)態(tài)邏輯分區(qū)并控制訪問權(quán)限的IC智能卡芯片邏輯框圖；
圖2為存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)劃分寄存器示意圖；
圖3為存儲(chǔ)器管理模塊邏輯結(jié)構(gòu)框圖；
圖4A為2003年6月之前技術(shù)中以軟件實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器管理的IC智能卡的系統(tǒng)框圖，圖4B為依據(jù)該發(fā)明改進(jìn)了存儲(chǔ)器管理的IC智能卡系統(tǒng)框圖；
圖5為存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)劃分和訪問控制流程圖
圖6為一個(gè)物理存儲(chǔ)器邏輯劃分前后的存儲(chǔ)區(qū)分布圖；
圖7為IC智能卡芯片內(nèi)的存儲(chǔ)器空間分布圖；
圖8為ROM存儲(chǔ)器訪問控制流程圖；
圖9為RAM存儲(chǔ)器訪問控制流程圖；
圖10為EEPROM存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)劃分及訪問控制流程圖；
圖11為IC智能卡芯片內(nèi)存儲(chǔ)器空間動(dòng)態(tài)劃分后的存儲(chǔ)區(qū)分布圖。[1]
動(dòng)態(tài)邏輯分區(qū)并控制訪問權(quán)限的IC智能卡及其實(shí)現(xiàn)方法權(quán)利要求
1.《動(dòng)態(tài)邏輯分區(qū)并控制訪問權(quán)限的IC智能卡及其實(shí)現(xiàn)方法》包括微處理器、存儲(chǔ)器組和串行I/O接口電路，其中存儲(chǔ)器組中包括可編程非易失性存儲(chǔ)器，其特征在于：所述微處理器包括一個(gè)存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)劃分寄存器MAR，用于在其中設(shè)置可編程非易失性存儲(chǔ)器中各邏輯分區(qū)的大小；在微處理器與存儲(chǔ)器組之間有一個(gè)存儲(chǔ)器管理模塊，用于根據(jù)存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)劃分寄存器MAR中的值，將可編程非易失性存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)劃分為多個(gè)邏輯分區(qū)，并控制所有微處理器訪問存儲(chǔ)器組的操作。
2.如權(quán)利要求1所述的IC智能卡芯片，其特征在于：所述的存儲(chǔ)器管理模塊包括：可動(dòng)態(tài)劃分存儲(chǔ)器邏輯分區(qū)地址生成模塊，用于根據(jù)存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)劃分寄存器MAR的值生成可動(dòng)態(tài)劃分存儲(chǔ)器中各邏輯分區(qū)的地址；地址譯碼模塊，用于在IC智能卡操作系統(tǒng)通過微處理器對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行訪問時(shí)對(duì)系統(tǒng)輸入地址進(jìn)行譯碼，完成地址映射；存儲(chǔ)器選擇模塊，用于根據(jù)地址譯碼模塊譯碼后產(chǎn)生的映射地址，選擇微處理器要訪問的存儲(chǔ)器。
3.如權(quán)利要求1或2所述的IC智能卡芯片，其特征在于所述的存儲(chǔ)器管理模塊還包括：讀/寫權(quán)限控制模塊，用于根據(jù)PC指針和存儲(chǔ)器訪問權(quán)限決定是否對(duì)存儲(chǔ)器選擇模塊所選取的存儲(chǔ)器進(jìn)行讀/寫操作；指令譯碼模塊，用于對(duì)微處理器內(nèi)指令寄存器IR進(jìn)行譯碼，以判斷指令 操作的類型；以及存儲(chǔ)器接口控制模塊，用于依據(jù)上述判斷結(jié)果，如果可以對(duì)所選存儲(chǔ)器進(jìn)行訪問操作，則產(chǎn)生相應(yīng)的存儲(chǔ)器控制信號(hào)，如果禁止進(jìn)行操作，則不進(jìn)行讀寫操作。
4.如權(quán)利要求1或2所述的IC智能卡芯片，其特征在于：所述的微處理器是INTEL8051兼容微處理器。
5.一種在IC智能卡芯片內(nèi)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)劃分多邏輯分區(qū)和存儲(chǔ)器訪問權(quán)限控制的方法，該IC智能卡包括微處理器、存儲(chǔ)器組和串行I/O接口電路等，所述微處理器包括一個(gè)設(shè)置有初始值的寄存器MAR，所述存儲(chǔ)器組包括可編程非易失性存儲(chǔ)器，其特征在于所述方法包括以下步驟：修改所述寄存器MAR的所述初始值，以便設(shè)置所述可編程非易失性存儲(chǔ)器中各邏輯分區(qū)的大小；根據(jù)所述寄存器MAR的值，生成可動(dòng)態(tài)劃分存儲(chǔ)器中各邏輯分區(qū)的地址范圍，并根據(jù)地址劃分界限將可動(dòng)態(tài)劃分存儲(chǔ)器劃分成不同的邏輯分區(qū)；根據(jù)邏輯分區(qū)結(jié)果，對(duì)CPU當(dāng)前工作狀態(tài)進(jìn)行判斷，完成對(duì)各個(gè)存儲(chǔ)器模塊的訪問權(quán)限控制。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述完成對(duì)各個(gè)存儲(chǔ)器模塊的訪問權(quán)限控制的步驟進(jìn)一步包括：在IC智能卡操作系統(tǒng)通過微處理器對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行訪問時(shí)，由微處理器產(chǎn)生系統(tǒng)地址信號(hào)，以及存儲(chǔ)器訪問控制信號(hào)，如果是寫入操作，數(shù)據(jù)總線上還將加載欲寫入的數(shù)據(jù)信息；對(duì)系統(tǒng)輸入地址進(jìn)行譯碼；依據(jù)譯碼后產(chǎn)生的映射地址選擇微處理器要訪問的存儲(chǔ)器；對(duì)微處理器內(nèi)指令寄存器中存儲(chǔ)的指令進(jìn)行譯碼從而判斷操作類型；根據(jù)PC指針和存儲(chǔ)器訪問權(quán)限確定是否能對(duì)存儲(chǔ)器選擇模塊選取的存儲(chǔ)器進(jìn)行讀/寫操作；依據(jù)上述判斷結(jié)果，如果可以對(duì)所選存儲(chǔ)器進(jìn)行訪問操作，則產(chǎn)生相應(yīng)的存儲(chǔ)器控制信號(hào)，如果禁止進(jìn)行操作，則不進(jìn)行讀寫操作。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于：所述的可編程非易失存儲(chǔ)器可以被劃分為程序存儲(chǔ)區(qū)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。
8.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于：所述的微處理器是INTEL8051兼容微處理器。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于：對(duì)MOVC和MOVX指令以及程序取指令操作進(jìn)行控制。
10.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于：可以根據(jù)應(yīng)用的特點(diǎn)，選取所述寄存器MAR中的N位來決定劃分的顆粒度。
11.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于：所述的可動(dòng)態(tài)劃分存儲(chǔ)器中各邏輯分區(qū)的地址范圍的生成方法為：將所述寄存器MAR中的N位有效值與地址信號(hào)組合形成邏輯分區(qū)劃分界限，此劃分界限決定邏輯分區(qū)的地址范圍，當(dāng)寄存器中的值變化后，各邏輯分區(qū)的地址范圍會(huì)相應(yīng)變動(dòng)。
12.如權(quán)利要求5或6所述的方法，其特征在于：所述的控制存儲(chǔ)器讀寫權(quán)限是指在程序運(yùn)行時(shí)，根據(jù)設(shè)定的讀寫控制權(quán)限，控制程序能否訪問存儲(chǔ)器組。
13.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述的可動(dòng)態(tài)劃分存儲(chǔ)器可以劃分為兩個(gè)或兩個(gè)以上的邏輯分區(qū)。[1]
動(dòng)態(tài)邏輯分區(qū)并控制訪問權(quán)限的IC智能卡及其實(shí)現(xiàn)方法實(shí)施方式
以INTEL8051兼容微處理器為例，介紹該發(fā)明的具體實(shí)現(xiàn)。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯然該發(fā)明也可以適用于其它類型的微處理器。
圖1所示為《動(dòng)態(tài)邏輯分區(qū)并控制訪問權(quán)限的IC智能卡及其實(shí)現(xiàn)方法》采用的在一個(gè)物理存儲(chǔ)器內(nèi)動(dòng)態(tài)劃分多邏輯分區(qū)并實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器訪問控制的IC智能卡芯片框圖，該IC智能卡芯片由微處理器1及其外圍電路2組成，外圍電路2包括存儲(chǔ)器組3，存儲(chǔ)器管理模塊4和串行I/O接口電路8。
該IC智能卡芯片內(nèi)采用混合存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，存儲(chǔ)器組3包括EEPROM存儲(chǔ)器5、ROM存儲(chǔ)器6和RAM存儲(chǔ)器7。其中ROM存儲(chǔ)器6作為程序存儲(chǔ)器，RAM存儲(chǔ)器7作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，而EEPROM存儲(chǔ)器5在邏輯上劃分為兩部分：一部分作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，另一部分作程序存儲(chǔ)區(qū)。
此處所說的EEPROM存儲(chǔ)器5和ROM存儲(chǔ)器6也可用其它非易失存儲(chǔ)器代替。
該發(fā)明是通過在芯片微處理器1中增加存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)劃分寄存器MAR，并在微處理器1與存儲(chǔ)器組3之間加入存儲(chǔ)器管理模塊4，來實(shí)現(xiàn)在一個(gè)物理存儲(chǔ)器內(nèi)動(dòng)態(tài)劃分多邏輯分區(qū)以及對(duì)存儲(chǔ)器組3的訪問權(quán)限進(jìn)行控制的。
在圖2中顯示了存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)劃分寄存器MAR的示意圖，為8比特字節(jié)。它是一個(gè)特殊功能寄存器，可由程序員根據(jù)需要對(duì)其進(jìn)行設(shè)置。在IC智能卡上電復(fù)位后，由COS對(duì)存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)劃分寄存器MAR賦值，如果不進(jìn)行賦值，則缺省情況下MAR為全0。
可以根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)，選取存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)劃分寄存器8位中的n位（1≤n≤8）來 決定劃分的顆粒度：
例如存儲(chǔ)器可動(dòng)態(tài)劃分區(qū)間容量為31K，取n＝5，則存儲(chǔ)器劃分的顆粒度，即劃分的最小區(qū)間為1K。
存儲(chǔ)器管理模塊4位于微處理器1與存儲(chǔ)器組3之間，微處理器1訪問存儲(chǔ)器組3的所有操作均受其控制。存儲(chǔ)器管理模塊4和存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)劃分寄存器MAR結(jié)合，可以動(dòng)態(tài)調(diào)整EEPROM存儲(chǔ)器5中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)和程序存儲(chǔ)區(qū)兩個(gè)分區(qū)的大小，滿足不同應(yīng)用對(duì)存儲(chǔ)區(qū)大小的需求。
圖3為存儲(chǔ)器管理模塊4的結(jié)構(gòu)框圖，它由可動(dòng)態(tài)劃分存儲(chǔ)器邏輯分區(qū)地址生成模塊31、地址譯碼模塊32、存儲(chǔ)器選擇模塊33、讀寫權(quán)限控制模塊34、指令譯碼模塊35、及存儲(chǔ)器接口控制信號(hào)生成模塊36、37、38組成。
圖3中的各個(gè)信號(hào)說明如下：
其中輸入信號(hào)為：
ADDR_IN：系統(tǒng)地址信號(hào)，標(biāo)識(shí)微處理器訪問的存儲(chǔ)器地址
PC指針：程序指針寄存器輸入，標(biāo)識(shí)當(dāng)前程序執(zhí)行的位置
MAR輸入：存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)劃分寄存器輸入，用于存儲(chǔ)器多邏輯分區(qū)地址生成
IR輸入：指令寄存器輸入，標(biāo)識(shí)當(dāng)前執(zhí)行的操作
ALE：系統(tǒng)地址鎖存信號(hào)
PSEN：程序存儲(chǔ)器訪問選通信號(hào)
RD：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀信號(hào)
WR：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫信號(hào)
輸出信號(hào)為：
可編程非易失存儲(chǔ)器EEPROM讀寫控制信號(hào)：控制對(duì)EEPROM進(jìn)行讀寫操作
只讀存儲(chǔ)器ROM讀控制信號(hào)：控制對(duì)ROM進(jìn)行讀操作
隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM讀寫控制信號(hào)：控制對(duì)RAM進(jìn)行讀寫操作
存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)劃分是由程序員通過系統(tǒng)命令修改存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)劃分寄存器MAR的值來實(shí)現(xiàn)的，存儲(chǔ)器管理模塊4中可動(dòng)態(tài)劃分存儲(chǔ)器邏輯分區(qū)地址生成模塊31根據(jù)MAR值生成可編程非易失性存儲(chǔ)器5中各邏輯分區(qū)的地址范圍，方法為：MAR中的n位有效值與地址信號(hào)組合形成新的地址信號(hào)，例如將MAR中的低5位與地址信號(hào)ADDR[15]，ADDR[9...0]組合，形成′1′&MAR[4...0]&″0000000000″地址劃分界限，高于此地址劃分界限的存儲(chǔ)區(qū)域設(shè)定為程序存儲(chǔ)區(qū)，低于此地址劃分界限的存儲(chǔ)區(qū)域設(shè)定為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，當(dāng)MAR的值變化后，邏輯分區(qū)的地址范圍也會(huì)相應(yīng)變動(dòng)，從而在可編程非易失性存儲(chǔ)器5中形成32種可選劃分方案，實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)劃分。
在INTEL8051兼容微處理器指令系統(tǒng)中，MOVC和MOVX指令將控制微處理器1對(duì)存儲(chǔ)器組3進(jìn)行訪問操作，存儲(chǔ)器管理模塊4就是要對(duì)MOVC和MOVX指令，以及程序取指令操作進(jìn)行控制。
當(dāng)COS通過微處理器1對(duì)存儲(chǔ)器組3進(jìn)行訪問時(shí)，微處理器1將產(chǎn)生系統(tǒng)地址信號(hào)ADDR_IN，存儲(chǔ)器訪問控制信號(hào)ALE，PSEN，RD和WR，如果進(jìn)行寫入操作，數(shù)據(jù)總線上還會(huì)加載欲寫入數(shù)據(jù)信息。
系統(tǒng)輸入地址ADDR_IN通過存儲(chǔ)器管理模塊4中的地址譯碼模塊32譯碼，并結(jié)合可動(dòng)態(tài)劃分存儲(chǔ)器邏輯分區(qū)地址生成模塊31生成的邏輯分區(qū)地址，來選擇微處理器1將訪問的存儲(chǔ)器，同時(shí)微處理器內(nèi)IR寄存器存儲(chǔ)的指令經(jīng)指令譯碼模塊35譯碼判斷操作類型，由讀寫權(quán)限控制模塊34根據(jù)PC指針和存儲(chǔ)器訪問權(quán)限決定是否對(duì)存儲(chǔ)器選擇模塊33選取的存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫操作，其中PC指針用于判斷程序2003年6月之前在存儲(chǔ)器中所處位置，如是合法的訪問操作，則由存儲(chǔ)器接口控制信號(hào) 生成模塊36、37、38產(chǎn)生相應(yīng)的存儲(chǔ)器讀寫控制信號(hào)；如果禁止進(jìn)行操作，即使微處理器1產(chǎn)生了存儲(chǔ)器訪問控制信號(hào)，也將會(huì)被存儲(chǔ)器管理模塊4屏蔽，無法進(jìn)行讀寫操作。
存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)劃分和訪問控制的流程如圖5所示。
在圖6中顯示了EEPROM5在邏輯劃分前后的存儲(chǔ)區(qū)分布。EEPROM5可以劃分為兩個(gè)或兩個(gè)以上的邏輯分區(qū)，其劃分前如圖6左側(cè)所示，其中邏輯分區(qū)61用作存儲(chǔ)IC智能卡COS的程序存儲(chǔ)區(qū)；邏輯分區(qū)63用作存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)；第三個(gè)分區(qū)62作為程序/數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)劃分區(qū)。EEPROM存儲(chǔ)器5的一種劃分結(jié)果如圖6右側(cè)所示，程序存儲(chǔ)區(qū)64包括邏輯分區(qū)61全部和邏輯分區(qū)62中劃分為程序存儲(chǔ)區(qū)的部分；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)65包括邏輯分區(qū)63全部和邏輯分區(qū)62中劃分為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的部分。
在軟件升級(jí)和新業(yè)務(wù)增加時(shí)，可以通過設(shè)置存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)劃分寄存器MAR的內(nèi)容調(diào)整EEPROM5的邏輯劃分，重新分配EEPROM5中程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的容量。例如把空閑的部分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)槌绦虼鎯?chǔ)區(qū)使用，以增加新的應(yīng)用，或通過修改EEPROM存儲(chǔ)器5中程序存儲(chǔ)區(qū)的代碼，對(duì)固化在ROM中的程序進(jìn)行修正，或反之，把空閑的程序存儲(chǔ)區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)使用，以提供更大的用戶存儲(chǔ)空間，不會(huì)因?yàn)閼?yīng)用略有不同，而必須重新進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)。
為了方便程序員編程，保證程序存儲(chǔ)區(qū)或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的起始地址都從0000H開始，存儲(chǔ)器管理模塊4還要對(duì)邏輯地址進(jìn)行變換，以映射到物理存儲(chǔ)器的不同物理地址，從而可以根據(jù)應(yīng)用把物理地址連續(xù)完整的一個(gè)物理存儲(chǔ)器劃分為大小可靈活調(diào)整的多邏輯分區(qū)。
以圖7所示的存儲(chǔ)器劃分結(jié)構(gòu)為例，假如32KROM存儲(chǔ)器74作為程序存儲(chǔ)器，1KRAM存儲(chǔ)器72作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，64KEEPROM存儲(chǔ)器76（邏輯上由EEPROM存儲(chǔ)器71，73，75組成）動(dòng)態(tài)劃分為程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。可以設(shè)定存儲(chǔ)器讀寫 控制權(quán)限參見表1：
表1
表1所示存儲(chǔ)器讀寫控制權(quán)限表僅為示例，可以根據(jù)需要設(shè)置為其它權(quán)限。
下面舉例說明如何實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)劃分多邏輯分區(qū)以及存儲(chǔ)器訪問控制權(quán)限。
如圖7所示，32KROM存儲(chǔ)器74作為程序存儲(chǔ)器，1KRAM存儲(chǔ)器72作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，64KEEPROM存儲(chǔ)器76分為3個(gè)區(qū)，其中1KEEPROM存儲(chǔ)器71固定作為程序存儲(chǔ)器，位于程序區(qū)，地址范圍為：FC00H-FFFFH，32KEEPROM存儲(chǔ)器75固定作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，位于數(shù)據(jù)區(qū)低端，地址范圍為：0000H-7FFFH，31KEEPROM存儲(chǔ)器73作為程序/數(shù)據(jù)可動(dòng)態(tài)劃分存儲(chǔ)器，為了保證數(shù)據(jù)區(qū)連續(xù)，其低端作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，作為程序存儲(chǔ)器，劃分界限由存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)劃分寄存器MAR決定。
假設(shè)存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)劃分寄存器MAR有效位設(shè)為5位（在設(shè)計(jì)階段確定），則劃分 的最小區(qū)間為1K，由存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)劃分寄存器MAR的低5位決定程序存儲(chǔ)區(qū)的起始地址，共32種選擇。如要調(diào)整存儲(chǔ)器劃分區(qū)間，可以通過改變存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)劃分寄存器MAR的值完成。
現(xiàn)假設(shè)存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)劃分寄存器MAR設(shè)為10000，從而把31KEEPROM存儲(chǔ)器73劃分為兩個(gè)區(qū)間：從8000H-BFFFH為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，C000H-FBFFH為程序存儲(chǔ)區(qū)，存儲(chǔ)器空間動(dòng)態(tài)劃分后分布圖如圖11所示：
程序存儲(chǔ)區(qū)為48K，地址范圍為：32KROM存儲(chǔ)器113（0000H-7FFFH），16KEEPROM存儲(chǔ)器111和115（C000H-FFFFH）；
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)為49K，地址范圍為：48KEEPROM存儲(chǔ)器114和116（0000H-BFFFH），1KRAM存儲(chǔ)器112（FC00H-FFFFH）。
根據(jù)讀寫控制權(quán)限表1，當(dāng)程序運(yùn)行于ROM存儲(chǔ)器113時(shí)，可對(duì)ROM存儲(chǔ)器113和EEPROM存儲(chǔ)器111，115程序區(qū)進(jìn)行MOVC讀操作，對(duì)1KRAM存儲(chǔ)器112和EEPROM存儲(chǔ)器114，116數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行MOVX讀寫操作；當(dāng)程序運(yùn)行于EEPROM存儲(chǔ)器固定劃分程序區(qū)111時(shí)，可讀EEPROM存儲(chǔ)器111，115的內(nèi)容，禁止讀ROM存儲(chǔ)器113，對(duì)1KRAM存儲(chǔ)器112和EEPROM存儲(chǔ)器114，116數(shù)據(jù)區(qū)仍可進(jìn)行MOVX讀寫操作；當(dāng)程序運(yùn)行于EEPROM存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)劃分程序區(qū)115時(shí)，可讀EEPROM存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)劃分程序區(qū)115的內(nèi)容，對(duì)EEPROM存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)劃分?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)116可進(jìn)行MOVX讀寫操作，禁止訪問其它存儲(chǔ)區(qū)。
以上的EEPROM動(dòng)態(tài)劃分多邏輯分區(qū)僅僅是作為例子給出的，也可以采用其它的劃分方案，例如：如果存儲(chǔ)器分配寄存器信號(hào)MAR設(shè)為00000時(shí)，31K動(dòng)態(tài)劃分區(qū)間73全部作為程序存儲(chǔ)區(qū)，EEPROM存儲(chǔ)器76動(dòng)態(tài)劃分后的分區(qū)情況為：程序存儲(chǔ)區(qū)為32K，地址范圍為：8000H～FFFFH數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)為32K，地址范圍為：0000H～7FFFH如果存儲(chǔ)器分配寄存器信號(hào)MAR設(shè)為00011時(shí)，31K動(dòng)態(tài)劃分區(qū)間73中3K空間作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，其它28K空間作為程序存儲(chǔ)區(qū)，EEPROM存儲(chǔ)器76動(dòng)態(tài)劃分后的分區(qū)情況為：程序存儲(chǔ)區(qū)為29K，地址范圍為：8400H～FFFFH數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)為3K，地址范圍為：8000H～83FFH上述各個(gè)存儲(chǔ)器的讀寫信號(hào)可通過以下方法產(chǎn)生：參照圖8ROM存儲(chǔ)器訪問控制流程圖，32KROM存儲(chǔ)器74的操作如下：當(dāng)系統(tǒng)地址ADDR_IN[15]＝′0′，PC指針PC[15]＝′0′時(shí)，通過讀寫權(quán)限控制模塊32可知道程序位于ROM存儲(chǔ)器74，如此時(shí)IR輸入經(jīng)指令譯碼模塊35判斷為MOVX指令，經(jīng)讀寫權(quán)限控制模塊34，屬于非法操作，ROM存儲(chǔ)器74控制信號(hào)無效；否則ROM存儲(chǔ)器74時(shí)鐘信號(hào)由ALE信號(hào)產(chǎn)生，進(jìn)行取指令操作或MOVC指令操作。
其它情況，ROM存儲(chǔ)器74時(shí)鐘信號(hào)無效。
ROM存儲(chǔ)器74片選信號(hào)由上述時(shí)鐘信號(hào)生成。
參照圖9RAM存儲(chǔ)器訪問控制流程圖，1KRAM存儲(chǔ)器72的操作如下：
如果系統(tǒng)地址ADDR_IN[15...10]＝″111111″，通過地址譯碼模塊32，選擇RAM存儲(chǔ)器72，如此時(shí)IR輸入是MOVX指令，且指令運(yùn)行于ROM區(qū)或EEPROM固定程序區(qū)（由PC指針判定），則經(jīng)指令譯碼模塊35和讀寫權(quán)限控制模塊34，存儲(chǔ)器讀寫信號(hào)分別由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀信號(hào)RD和寫信號(hào)WR產(chǎn)生；否則讀寫控制信號(hào)無效。
參照圖10EEPROM存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)劃分及訪問控制流程圖，64KEEPROM存儲(chǔ)器76 的操作如下：
如前所述，假定邏輯分區(qū)75固定劃分為32K，邏輯分區(qū)71固定劃分為1K，邏輯分區(qū)73為31K可動(dòng)態(tài)劃分區(qū)間。現(xiàn)取n＝5，劃分的顆粒度為1K。
可動(dòng)態(tài)劃分存儲(chǔ)器邏輯分區(qū)地址生成模塊31劃分的邏輯分區(qū)為：
如果″FBFF″≥ADDR_IN[15...0]≥′1′&MAR[4...0]&″0000000000″，則對(duì)應(yīng)空間為動(dòng)態(tài)劃分程序存儲(chǔ)區(qū)115；
如果″7FFF″＜ADDR_IN[15...0]＜′1′&MAR[4...0]&″0000000000″，則對(duì)應(yīng)空間為動(dòng)態(tài)劃分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)116；
當(dāng)系統(tǒng)地址ADDR_IN經(jīng)地址譯碼模塊32判定為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)114或動(dòng)態(tài)劃分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)116地址后，且IR輸入經(jīng)指令譯碼模塊35發(fā)現(xiàn)是MOVX指令時(shí)：
●當(dāng)指令運(yùn)行于ROM區(qū)113或EEPROM固定程序區(qū)111時(shí)（由PC指針判定），經(jīng)讀寫權(quán)限控制模塊34，EEPROM存儲(chǔ)器76片選信號(hào)有效，讀寫信號(hào)分別由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀信號(hào)RD和寫信號(hào)WR產(chǎn)生；
●當(dāng)指令運(yùn)行于EEPROM動(dòng)態(tài)劃分程序存儲(chǔ)區(qū)115（由PC指針判定），則只有對(duì)動(dòng)態(tài)劃分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)116進(jìn)行讀寫操作時(shí)，EEPROM存儲(chǔ)器76片選信號(hào)有效，讀寫信號(hào)分別由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀信號(hào)RD和寫信號(hào)WR產(chǎn)生，對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)114禁止進(jìn)行操作。
當(dāng)系統(tǒng)地址線ADDR_IN經(jīng)地址譯碼模塊32判定為固定程序存儲(chǔ)區(qū)111地址，IR輸入經(jīng)指令譯碼模塊35發(fā)現(xiàn)是MOVX指令，經(jīng)讀寫權(quán)限控制模塊34，EEPROM存儲(chǔ)器76所有控制信號(hào)無效；如IR輸入經(jīng)指令譯碼模塊35發(fā)現(xiàn)是MOVC指令且程序運(yùn)行于ROM區(qū)113或EEPROM固定程序區(qū)111，或者進(jìn)行加載指令操作，經(jīng)讀寫權(quán)限控制模塊34，EEPROM存儲(chǔ)器76片選信號(hào)有效，讀信號(hào)由地址鎖存信號(hào)ALE產(chǎn)生，寫信號(hào)無效。
當(dāng)系統(tǒng)地址線ADDR_IN經(jīng)地址譯碼模塊32判定為動(dòng)態(tài)劃分程序存儲(chǔ)區(qū)115地 址，IR輸入經(jīng)指令譯碼模塊35發(fā)現(xiàn)是MOVX指令，經(jīng)讀寫權(quán)限控制模塊34，EEPROM存儲(chǔ)器76所有控制信號(hào)無效；如IR輸入經(jīng)指令譯碼模塊35發(fā)現(xiàn)是MOVC指令，或者進(jìn)行加載指令操作，經(jīng)讀寫權(quán)限控制模塊34，EEPROM存儲(chǔ)器76片選信號(hào)有效，讀信號(hào)由地址鎖存信號(hào)ALE產(chǎn)生，寫信號(hào)無效。[1]
動(dòng)態(tài)邏輯分區(qū)并控制訪問權(quán)限的IC智能卡及其實(shí)現(xiàn)方法榮譽(yù)表彰
2010年11月15日，《動(dòng)態(tài)邏輯分區(qū)并控制訪問權(quán)限的IC智能卡及其實(shí)現(xiàn)方法》獲得第十二屆中國獎(jiǎng)優(yōu)秀獎(jiǎng)。[3]
參考資料
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