一种高性能低功耗的eSIM卡芯片系统的制作方法

一种高性能低功耗的esim卡芯片系统
技术领域
1.本发明涉及esim卡芯片技术领域，尤其涉及一种高性能低功耗的esim卡芯片系统。


背景技术：

2.esim卡是具有iso7816和swp两个接口功能的sim卡，目前市面上的esim卡芯片主要面向移动支付应用，使用在手机等移动设备的芯片。目前的市场广泛使用的esim卡芯片，其芯片设计使用32-bitarm系列risc处理器，内部具有40kb sram、1mb flash用作数据的存储。esim卡芯片多使用ahb、apb总线结构。当今的市场上，各类esim卡应用越来越多，使用到芯片内的加解密模块的功能的场景越来越多，因此对于手机等移动设备的电池待机时长，即有高性能又有较低的功耗的esim卡芯片是将来手机市场的趋势。
3.目前市场上得主流esim卡芯片中，存在两种主流芯片：
4.1、第二种esim卡芯片使用的总线结构为：ahb总线上挂接系统交互频繁、数据吞吐量大、性能要求高的外设模块，包括存储器系统、系统控制模块、des、aes、sm1、sm3、sm4、pke、crc等。存储器安全管理机制，可对算法提供高安全级别的保护。通过调用软件库的方式来实现目标算法。该芯片的apb总线上挂接与系统交互次数较少、数据量小、性能要求低的模块，包括7816、gpio、swp、spi、rng、timer、wdt等。
5.该款esim卡芯片，片上nvm(特指flash)接口主要特性：页大小为512b，支持页/块擦、页写、页写校验、页擦写、页擦写校验、buf清除操作。nvm写操作是以页为最小单位，因此在执行nvm各种页写命令之前，软件必须保证写满整页数据，对于该页内从未写过的地址可以写成全f，否则无法保证未写入地址中数据读出的有效性。
6.该款esim卡芯片的功耗管理：执行wfe指令进入standby状态后，所有中断信号都可以唤醒芯片。standby模式是系统主动进入的的低功耗模式。在7816接口、swp接口都不处于工作状态时系统才可以进入standby模式。在芯片进入standby过程中，任一接口的活动都将直接唤醒芯片退出standby状态。在该芯片中，其iso7816接口在读卡器停止外部时钟情形下，方可以进入低功耗模式。其swp接口在c6管脚处于suspended状态下，当uicc收到shdlc层对uicc请求不再通信的响应信息，且swp接口处于suspended状态时，swp接口方可以进入低功耗模式。
7.该芯片的cpu hold模式包括pke低功耗模式和flash操作低功耗模式，pke低功耗模式具体为：为了防止pke工作时系统功耗过大，可以通过设置功耗控制寄存器的相应参数，选择低功耗模式。选择pke低功耗模式时，cpu启动协处理器运算后，cpu时钟将停止，以降低系统功耗。协处理器运算结束后，自动恢复cpu时钟，退出协处理器低功耗模式。flash操作低功耗模式具体为：为了降低flash erase和program操作时的系统功耗，可以通过设置功耗控制寄存器的flashlpmode参数，选择flash操作低功耗模式。在flashlpmode＝1时，cpu启动flash erase或program后，cpu时钟将停止，以降低系统功耗。erase/program结束后，自动cpu唤醒时钟，退出flash操作低功耗模式。
8.从这款芯片的cpu hold模式操作流程可以看到，对于pke，flash的大功耗操作只是将cpu时钟停止，以降低系统功耗，相当于是一种窜行的方式进行工作的。
9.这款芯片的llc层act及shdlc帧解析完全由上层软件来完成，swp仅在硬件层上完成mac层及llc层clt帧协议解析。所以在swp接口上其功能不够强大，因为软件需要按协议做大量的组包拆包及按协议控制通信等等工作，所以在swp接口上其执行效能是很低的。
10.2、第二种esim卡芯片使用的总线结构为：在其ahb总线上只挂了nvm存储器，sram，及cpu等常用模块；其硬件加密协处理器和安全加密模块挂载在apb总线上，由于apb总线访问性能比ahb总线低，apb外设中断中断清除需要花费多个时钟周期，因此其性能不够高，对算法提供的保护不够高级别。其芯片支持etsi ts 102613规范的swp接口功能不够强大，它在swp硬件模块内部提供dma功能来进行数据的搬移，但需要用户自己的程序来解析数据包，从软件层上实现shdlc协议，因此芯片的swp接口的通信管理功能将会花费大量的系统资源，因此在swp接口上功能不够强大。
11.该芯片在swp、7816模块内部使用dma功能用于接口上的收发数据。而在ahb总线上并没有挂载使用dma ip控制器。
12.该芯片的低功耗管理，包括接口休眠的控制和休眠唤醒的控制管理。系统进入深睡眠需各接口均处于休眠状态。
13.该款esim芯片对大功耗的操作，例如nvm擦写，pke算法，cpu应处于浅睡眠状态。当操作完成后，相应的event将唤醒cpu。随即，cpu直接去执行wfe后面的一条命令，不跳转到isr。事件唤醒浅休眠cpu的流程可参见图1。
14.该款esim芯片的ram总容量为40kb，cpu可访问，32kb通用ram，8kb各通讯接口特定缓冲区。nvm页面大小为512b，每个页面包括2个大小为256b的半页。
15.该款esim芯片的页面擦除操作为对512b的页面一次性全部擦除；该款esim芯片的写操作使用半页内指定双字编程，即通过将待写的数据写入到缓冲区内指定位置上，标记将要写入的地址和数据。写入数据必须是若干双字(n*8字节)。启动编程动作后将一次性对这些已被标记的双字进行数据编程。编程后状态：读出值即写入值。nvm编程时间：tfp＝100μs 53μs*n，其中，n表示双字数据的个数。该芯片的nvm页面512b编程需要时间2*(100μs 53μs*32)＝3592μs。写操作的具体过程为：设置芯片nvm控制寄存器-向nvm目标地址写入待编程的数据，起始地址必须为双字对齐地址，写入个数必须为双字(8字节)的整数倍-设置芯片nvm控制寄存器-向nvm目标页任意地址写入0xffffffff-用户程序设置cpu进入休眠(wfe/wfi)-查询sfr nvmsts是否结束，nvmsts1是否有错误-清除sfr nvmsts和sfr nvmsts1。
16.javacard应用程序称为applet,它必须符合java card规范。java卡applet的基本构成为：
17.1、install()方法：当applet下载至java卡时，就会启动install()方法来安装applet，并传入applet安装所要的参数。
18.2、register()方法：applet安装后要调用register()方法将applet注册给jcre。
19.3、select()方法：运行某一个applet之前，jcvm首先要调用select()方法，将applet选中。
20.4、process()方法：该方法是applet工作时的核心方法。终端给卡发送命令apdu
后，cos首先接收这个apdu，然后，把apdu传递给jcre，jcre把apdu送给当前选择的applet的process方法进行处理。process方法一般设计成分支选择结构，根据命令apdu的不同，执行不同的处理方法，并将处理结果回送jcre，直到返回给终端。我们开发设计一个applet，主要工作就是根据要求，编写process方法。
21.globalplatform环境(以下简称open)的主要职责是为应用提供api、命令分发、应用选定、逻辑通道管理(manage channel命令只被open处理，不会分发给应用)和卡内容的管理。
22.open执行ap代码的装载和相关的卡内容管理。
23.open也要负责已装载到卡里的应用的安装。open要执行为应用装载和安装所定义的安全原则。这些原则包括对应用代码和卡发行者提供的应用装载和/或安装授权书的验证。
24.open另一个重要的职责是apdu命令的分发和应用的选择。当open接收到select命令时，它将select命令中指定的应用设置成被选择的应用，后续的应用命令应该被分发给这个被选定的应用。
25.除了manage channel命令及select命令，所有其它命令直接分发给基本逻辑通道上当前被选定的应用。
26.图2为现有java card的系统框架图，可以看到java card的最底层为hardware，即芯片。位于硬件上的为卡上操作系统os(operating system)，通常为定制的微型操作系统(rtos)，在操作系统上的则是java card运行时环境jcre(java card runtime environment)，jcre包括java card虚拟机jcvm(java card virtual machine)，jcvm能够解析并执行java card字节码，从而使得java card应用程序能够在卡片上正常运行。global platform运行时环境open则为应用程序提供命令分发、应用选定、逻辑通道管理和卡内容管理等功能，应用可通过调用位于open之上的gp api来使用这些服务。发卡方安全域isd(issuer security domain)能够管理卡内容、卡生命周期和应用程序生命周期，是其他安全域的基础，是卡片管理者在卡内的代表；而补充安全域ssd(supplementary security domain)则可以为应用提供方提供安全域，是应用提供方在卡片内的代表。jc api(java card application programming interface)是java card的应用程序接口，运行在java card上的应用程序app1、app2可通过jc api来使用jcre提供的服务。
27.目前esim卡基本上都是基于java卡平台实现的。在java平台中，存在多次写flash来备份数据等等写flash的需求,而每一条apdu指令通过事务机制保证擦写flash的原子性。因此提高apdu指令的解析速度及flash的写速度及其重要。
28.从市场化的角度考虑，在esim卡制造商的芯片硬件性能是固定的前提下，一方面可以从java applet源代码的编写方式进行优化，使用更科学的算法设计方法，优化代码执行流程，使得更有规律性，计划性的执行高耗时操作等，可以直接提升该应用的执行效率。但是因为java卡环境下applet的开发方是不可控的，因此从applet的编写角度提出优化要求视乎不可行，本设计发明从java虚拟机执行与dma并行的角度提升性能。一般的java虚拟机需要载入方法表单，并根据偏移位置载入相应的java虚拟机机器码，从而完成方法调用。而java卡的每个组件的表单格式的数据结构的内容都存储在flash存储单元中，读取和解析工作需要多次的flash读取和檫写操作。
29.当目标应用被java虚拟机选择执行时，java虚拟机会找到该应用的java虚拟机机器码对应的flash存储位置，并将其载入java虚拟机进行解析、执行。对于堆栈的操作，由于缓存数据在芯片的ram中操作，而ram读写速度远远大于flash存储域，堆栈操作的执行速度会很快。但是受制于现有java卡芯片硬件水平的限制及芯片成本考虑，不可能将所有的数据放置在ram中操作，所以大部分数据仍只能存储在flash存储器中，而flash存储器的操作速度要远远低于ram储存器，因此在一定的硬件条件基础下，影响java api的执行效率的关键因素在于flash存储器读写速度慢。
30.从前面市面上的主流esim卡芯片资料来看，都存在写flash时cpu处于停止状态，wfe、fei指令会关闭cpu时钟，即对于nvm中的程序，执行擦、写操作后，后续指令将被挂起，直到擦除、编程操作结束后，才可以继续执行程序，相当于窜行操作，就会影响java卡的执行性能。这些esim卡芯片内部在ahb总线上没有挂载dma控制器，它们在swp接口上的功能不够高效，需要程序自己进行shdlc协议的管理控制，包括组装数据包、解析数据包、通信计时等等处理，因而势必会增加芯片功耗。另外这些芯片都是在通信结束的情况下才可以进行低功耗模式，在java卡技术来看，其功耗控制是基于应用事务的，因而cpu工作时间会较长，会增加芯片功耗。


技术实现要素：

31.本发明的目的在于提供一种高性能低功耗的esim卡芯片系统，从而解决现有技术中存在的前述问题。
32.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
33.一种高性能低功耗的esim卡芯片系统，包括cpu、mmu存储器管理模块、eflash模块、ilm_ram模块、dlm_ram模块、pmu功耗控制模块、clk时钟控制模块、ahb_dma模块、ucaa运算模块、hash运算模块、dma直接存取模块、sm1运算模块、des运算模块、sm4运算模块以及可配置的矢量中断控制器；
34.所述cpu通过i_ahb总线与mmu存储器管理模块相连，所述mmu存储器管理模块经flash_ctrl接口和ram_ctrl接口分别与eflash模块以及ilm_ram模块相连；所述cpu通过sys_ahb总线与ahb_dma模块、ucaa模块、hash模块、dma直接存取模块、sm1运算模块、des运算模块以及sm4运算模块相连；所述ahb_dma模块经flash_ctrl接口与eflash模块相连，所述ahb_dma模块经ram_ctrl接口与ilm_ram模块以及dlm_ram模块相连；
35.所述sys_ahb总线与ahb2apb控制线相连，所述ahb2apb控制线上连接有看门狗、计数器、循环冗余校验模块、纯数字真随机数发生器、可编程io模块、iic接口模块、spi接口模块、uart接口模块、swp接口模块和7816接口模块；
36.所述mmu存储器管理模块经sfr总线与ahb2sfr控制线相连，所述clk时钟控制模块和所述pmu功耗控制模块均连接在ahb2sfr控制线上；所述clk时钟管理模块与osc_hf时钟和osc_lf时钟相连；
37.所述cpu通过支持单个cpu时钟周期访问的紧耦合ip与可配置的矢量中断控制器相连；
38.所述ram_ctrl接口为sram的控制接口，用于控制sram的读写操作；
39.所述flash_ctrl接口为flash的控制接口，用于控制flash的读写操作；
40.所述osc_hf时钟为源时钟或者经过分频后为系统提供正常工作时钟；
41.所述osc_lf时钟为唤醒cpu的唤醒时钟。
42.优选的，针对由open选定的应用，虚拟机对选定的applet应用的process方法执行mmu存储器管理模块的remap操作，即借助dma直接存取模块，从该应用的process方法对应的flash地址处将其对应的执行代码复制到ilm_ram模块的空间上，让其对应的代码在ram内存中执行，从而提高执行效率；
43.所述remap操作的具体过程为：
44.将flash中地址n1kb～n2kb的程序搬移到ilm_ram模块中的n3kb～n4kb空间中；
45.重映射源地址寄存器、重映射目的地址寄存器、重映射长度寄存器；
46.重映射使能寄存器，启动加速机制；使能寄存器重映射后，访问flash的n1kb～n2kb地址空间时，实际为访问sram的n3kb～n4kb空间；
47.寄存器重映射配置完成后，dma直接存取模块开始搬移工作，同时cpu运行java虚拟机代码。
48.优选的，对每个被java虚拟机选定的新应用都会根据其process表单源地址及表单字节数，尽可能多得将flash中的内容搬移到内存中运行，从而提高applet的执行效能。
49.优选的，当需要从flash中读取page内容时，使用dma直接存取模块的页读功能；当要修改flash中page内容时，使用dma直接存取模块的页檫除并写功能。
50.优选的，系统中java主循环由接口上的中断来驱动固件，固件解析完apdu指令后进入wait模式，当系统向主机发送响应数据包完成中断产生后，将cpu从wait模式唤醒，而后进入更深层次的低功耗stop模式；
51.若需要擦写flash，使用dma直接存取模块来按页擦写flash，且程序在ilm_ram模块中运行；在这种情况下，cpu从wait模式下被唤醒两次，一次是dma burst pagewrite完成中断，另一次是接口发送完成中断；而后进入stop模式；
52.系统提供burst写功能，限制每次burst写最大长度为64word。
53.优选的，系统包括，
54.指令低功耗模式；cpu执行执行指令进入低功耗的模式，分为stop模式和wait模式；
55.stop模式具体为：设置cup的stop指令，在stop模式下，除通信接口中由有外部时钟和内部osclf直接驱动的部分电路外，系统其它部分的时钟全部停止，模拟模块进入stop状态从而降低系统功耗；通信接口接收到数据/命令后，或接收到复位信号后，退出stop模式，系统时钟恢复为原来值；
56.wait模式具体为：设置cpu的wait指令，cpu进入wait状态，这时cpu的时钟停止，以降低功耗，当中断发生时，cpu退出wait状态；
57.ucaa低功耗模式；当applet要使用ucaa算法时，通过调用系统提供的ucaa apis函数来完成算法，在ucaa apis函数中设置寄存器，选择ucaa低功耗模式；在ucaa低功耗模式下，cpu启动ucaa运算模块后，系统其它部分的时钟将停止，以降低系统功耗；运算结束后，自动恢复系统时钟，退出低功耗状态；
58.在ucaa低功耗模式下，当rsa算法开始运算后，clk时钟管理模块、eflash模块、des运算模块、sm1运算模块都将停止；
59.nvm擦写低功耗模式；当applet要使用擦写flash时，通过调用系统提供的writeflash apis函数来完成，writeflash apis函数根据实际的擦或写或搬移功能设置寄存器，选择nvm擦写低功耗模式；在nvm擦写低功耗模式下，cpu启动flash erase或program后，系统其它部分的时钟将停止，以降低系统功耗；erase/program结束后，自动恢复系统时钟，退出低功耗状态；
60.在nvm擦写低功耗模式下，当flash erase/program期间，clk时钟管理模块、ucaa运算模块、des运算模块、sm1运算模块都将停止。
61.优选的，系统的java虚拟机的工作流程为：
62.s1、系统上电后，cpu执行环境初始化，使用dma直接存取模块的搬移功能，从flash中将7816接口、swp接口和isr接口、writeflash api、java_loop拷贝到ilm_ram模块上，得到系统中可以用于remap的起始地址：0x00a01000；
63.s2、系统java虚拟机初始化；
64.s3、根据接口硬件检测结果，对7816接口和swp接口做寄存器配置，使能寄存器相应的接口中断；设置sys_waitingcnt，设置sys_jobcnt为0；从步骤s4开始进入虚拟机主循环java_loop api，它是iram程序；
65.s4、若sys_waitingcnt不等于0，则调用汇编指令使得系统进入wait模式，重复步骤s4，直到被中断唤醒；若sys_waitingcnt等于0，则进入步骤s5；
66.s5、调用汇编指令使得系统进入最低功耗stop模式；
67.s6、系统接收到apdu指令，退出stop模式，若当前激活接口是7816接口，则设置apdu数据缓冲区指针到7816接口的数据缓冲区；若当前激活接口是swp接口，则设置apdu数据缓冲区指针到swp接口的数据缓冲区；sys_jobcnt减少1；
68.s7、java虚拟机检查apdu指令，若当前指令不是manage channe命令或select命令，则进入步骤s9；若当前指令是manage channel命令，则java虚拟机进行相应的处理，写返回数据到apdu数据缓冲区中，之后进入步骤s10；若当前指令是select命令，则进入步骤s8；
69.s8、由open选定当前目标应用之后，对该应用的process方法执行mmu存储器管理模块的remap操作，即从该应用的process方法对应的flash地址处将其对应的process方法表单字节码对应到的flash页面地址，借助dma直接存取模块的搬移功能，拷贝到ilm_ram模块的空间上，获取该方法的表单字节数remapsize并对齐到整k字节数，若remapsize大于12kb，则设定remapsize等于12kb，重映射原地址寄存器的源地址为表单flash整k字节数地址处，重映射目标地址寄存器的目标地址为0x00a01000，重映射长度寄存器的长度为remapsize，使能寄存器执行重映射功能，此时借助dma直接存取模块与cpu并行执行的特点，将remap的flash内容拷贝到ilm_ram模块上，最大12kb；java虚拟机写返回数据到apdu数据缓冲区中，之后进入步骤s10；
70.s9、java虚拟机调用当前被选定的应用，对apdu指令进行解析，由于重映射了12kb的process方法操作所对应的字节码到ilm_ram模块上，所以能够提高java解析apdu指令的执行效能；若applet的process需要写flash，通过调用系统wrtflash api来将512b的数据写回flash，借助dma burstwrite功能将数据写入到目标flash地址处，在wrtflash api设置sys_waitingcnt增加1，dma直接存取模块完成中断，在该中断服务程序中将会设置sys_
waitingcnt减少1次；写返回数据到apdu数据缓冲区中，之后进入步骤s10；
71.s10、对当前接口，调用系统发送api将apdu数据缓冲区的数据发送给主机，在发送api中设置sys_waitingcnt增加1，并使dma直接存取模块发送完成中断，在该中断服务程序中将会设置sys_waitingcnt减少1；
72.s11、如果sys_jobcnt不等于0，则返回步骤s6；否则返回步骤s4。
73.优选的，所述ucaa运算模块中包含有rsa算法、sm2算法、ecc算法；所述hash运算模块中包含有sha1算法、sm3算法、sha256算法。
74.优选的，所述ilm_ram模块为16kb的单端口sram；所述dlm_ram模块为24kb的单端口sram。
75.本发明的有益效果是：1、系统在ahb总线上挂载了dma直接存取模块，使得程序的执行可以最大程度的并行化，从而大大的提高java卡的执行效能，减少了芯片工作时间，从而降低esim芯片整体功耗。2、在sys_ahb总线上挂载了ilm_ram模块并与cpu通过i_ahb总线相连，在使用中将需要提速的代码放在ilm_ram模块执行可以最大程度的并行化，从而大大的提高java卡的执行效能，减少了芯片工作时间，降低esim芯片整体功耗。3、将7816接口中断服务程序、swp接口中断服务程序、dma中断服务程序，writeflash api等关键功能固件代码定义成逻辑在ilm_ram模块上的，物理在flash上的，在ilm_ram模块中执行的程序，以提高整个芯片指令处理性能。4、在主机端下发apdu select指令，java卡虚拟机接收并解析到要选择一个不同的新的applet时，java卡虚拟机进一步处理取得选定applet的procees方法表单对应得flash页面地址及其表单的字节数大小，将对这段的flash内容进行mmu remap，这样重映射设计是动态的，即切换applet时，就会为新的applet做mmu remap操作，为关键代码做提速处理，从而提高java卡虚拟机的效能。5、使用dma的搬移功能来写flash页面，这实现并行化处理指令，提高芯片执行性能；writeflash api是ilm_ram程序，applet的的procees方法也在ilm_ram模块中运行，因此在进行flash页面编程时同时可以正常运行procees方法，而在java卡应用中写flash页面是经常使用到的操作，因而可以极大的提高java卡的性能。6、对flash的编程操作，都是通过dma直接存取模块进行的，因而能够与cpu运行固件并行化处理。在本芯片里flash最小编程单位为一个word即4个字节，flash写入四个字节需时25微秒，本系统的flash页面512b编程时比市面上的主流esim芯片的flash页面512b编程时间要快上一倍，当java卡应用在使用本发明设计的dma burst读写功能，java卡应用的执行效能更高，由于flash的编程时间大大减少了，因而可以大大降低整个芯片功耗。一个当在flash页面在快要写满时，才需要使用dma burst写功能将flash页面擦除后重新写入数据，在这样的策略下，esim卡在flash上的功耗会大大降低。7、系统低功耗控制架构，基于接口收发数据包状态主动进入低功耗模式的；接口ip的收发缓冲区使得，cpu处于wait模式下，接口自动发送数据包给主机，从而将接口上的cpu处理时间减少到最少，从而降低esim芯片整体功耗。8、swp接口在硬件层面上支持shdlc协议的通信控制，接收到数据包是hci层的数据，无需程序花费很多指令去进行shdlc组包以及shdlc通信协议控制。
附图说明
76.图1是现有的esim芯片事件唤醒浅休眠cpu的流程图；
77.图2是现有的java card系统框架图；
78.图3是本发明实施例中系统的结构示意图；
79.图4是本发明实施例中系统提供burst写功能的原理示意图。
具体实施方式
80.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
81.如图3所示，本实施例中提供了一种高性能低功耗的esim卡芯片系统，包括cpu、mmu存储器管理模块、eflash模块、ilm_ram模块、dlm_ram模块、pmu功耗控制模块、clk时钟控制模块、ahb_dma模块、ucaa运算模块、hash运算模块、dma直接存取模块、sm1运算模块、des运算模块、sm4运算模块以及可配置的矢量中断控制器；
82.所述cpu通过i_ahb总线与mmu存储器管理模块相连，所述mmu存储器管理模块经flash_ctrl接口和ram_ctrl接口分别与eflash模块以及ilm_ram模块相连；所述cpu通过sys_ahb总线与ahb_dma模块、ucaa模块、hash模块、dma直接存取模块、sm1运算模块、des运算模块以及sm4运算模块相连；所述ahb_dma模块经flash_ctrl接口与eflash模块相连，所述ahb_dma模块经ram_ctrl接口与ilm_ram模块以及dlm_ram模块相连；
83.所述sys_ahb总线与ahb2apb控制线相连，所述ahb2apb控制线上连接有看门狗、计数器、循环冗余校验模块、纯数字真随机数发生器、可编程io模块、iic接口模块、spi接口模块、uart接口模块、swp接口模块和7816接口模块；
84.所述mmu存储器管理模块经sfr总线与ahb2sfr控制线相连，所述clk时钟控制模块和所述pmu功耗控制模块均连接在ahb2sfr控制线上；所述clk时钟管理模块与osc_hf时钟和osc_lf时钟相连；
85.所述cpu通过支持单个cpu时钟周期访问的紧耦合ip与可配置的矢量中断控制器相连；
86.所述ucaa运算模块中包含有rsa算法、sm2算法、ecc算法；具体包含哪些算法可以根据实际情况进行选择。
87.所述hash运算模块中包含有sha1算法、sm3算法、sha256算法；具体包含哪些算法可以根据实际情况进行选择。
88.所述ilm_ram模块为16kb的单端口sram；指令ram，可用于代码重映射。起始地址：0x00a00000
89.所述dlm_ram模块为24kb的单端口sram；数据ram；
90.所述ram_ctrl接口为sram的控制接口，用于控制sram的读写操作；
91.所述flash_ctrl接口为flash的控制接口，用于控制flash的读写操作；
92.所述clk时钟管理模块包括oschf和osclf；
93.所述osc_hf时钟为源时钟或者经过分频后为系统提供正常工作时钟；
94.所述osc_lf时钟为唤醒cpu的唤醒时钟。
95.系统中各个组成模块的详细解释参见表1。
96.表1系统各模块简单描述
97.98.[0099][0100]
本实施例中，系统采用国产具有自主知识产权的32位risc安全cpu核，芯片内置sm1、sm4、aes、des等常用的密码算法硬核，具有功能强、接口多、功耗低的特点。
[0101]
cpu实现中央控制，程序存储空间在片内flash(1mb)中。系统sram大小是16kb 24kb，在本系统中16kb用于remap功能。cpu可以通过系统ahb总线，访问控制相应的寄存器，从而调度各个ip完成特定的工作。系统提供中断和dma服务，实现ip请求的快速响应和数据快速搬运。系统框图如图3所示。
[0102]
cpu采用国产32位安全risc处理器，通过i_ahb总线与mmu相连，通过sys-ahb控制线与ahb总线相连。cpu通过i_ahb总线可以执行ilm_ram模块(instruction local memory bus)中的程序，通过sys_ahb控制线访问dlm_ram模块(data localmemory bus)。
[0103]
本实施例中，针对由open选定的应用，虚拟机对选定的applet应用的process方法执行mmu存储器管理模块的remap操作，即借助dma直接存取模块，从该应用的process方法对应的flash地址处将其对应的执行代码复制到ilm_ram模块的空间上，让其对应的代码在ram内存中执行，从而提高执行效率。
[0104]
本实施例中，由于flash的读写速度较慢；但是读ram的速度最高可达40mhz。所以可以将flash中的程序搬移到ilm_ram模块中运行，以提高程序的执行速度。程序所在位置及大小均可配置(位置可任意配置，大小最多只能到16kb)。
[0105]
当用户欲实现程序加速，将需要加速的程序搬移到ilm_ram模块中以加快程序运行。软件配置remap长度、起始地址和目的地址，开启重映射功能(remap_en)，既可以实现程序加速。
[0106]
则所述remap操作的具体过程为：
[0107]
将flash中地址n1kb～n2kb的程序搬移到ilm_ram模块中的n3kb～n4kb空间中；
[0108]
重映射源地址寄存器、重映射目的地址寄存器、重映射长度寄存器；
[0109]
重映射使能寄存器，启动加速机制；使能寄存器重映射后，访问flash的n1kb～n2kb地址空间时，实际为访问sram的n3kb～n4kb空间；
[0110]
重映射配置好相关的寄存器后，dma直接存取模块开始搬移工作，同时cpu运行java虚拟机代码，本系统的dma直接存取模块从flash搬移512字节的数据到内存中只需要8微秒的时间，而从主机端下发select apdu指令到下一条apdu指令被芯片接收到需要毫秒级别的时间，因此在下一条指令被解析时，目标应用的process方法就是在内存中执行的。
[0111]
dma直接存取模块支持存储器和存储器之间、存储器和io设备之间的数据交换，数据传输过程中不需要cpu参与，提高了系统的执行效率。其功能为：提高指令ram、数据ram、外设ram、flash之间数据搬移速度；方便释放cpu,提高系统执行效率；配合实现重映射功能，提高cpu执行指令的速度；配合实现flash的页写操作。
[0112]
本实施例中，在实际用户应用中，会经常性修改flash中内容，通过将一页(page＝512b)即64word大小的内容读出后进行部分修改后，整页写回到flash中。由于本设计下的芯片flash编程最小单元一个word(4b)，造成每次应用所需的整页写回功能只能通过一个word方式逐步写回。
[0113]
在本系统针对连续写的方式提出了burst写功能，限制每次burst写最大长度为64word,该目的在于加快写入速度，时间对比如下：单次写一个word所需25us,写完64word时间＝64*25(us)＝1600us；采用burst写，所需15us,写完64word时间＝27 63*15 5(us)＝977us；对比来说本系统的写入速度能够比原来提升将近40％。
[0114]
系统提供burst写功能的要求为：1、从应用实际操作来分析，首先修改整页前，会先将整页内容读出，软件开销存储进行缓存，修改后再慢慢写回，采用硬件设计，则首先需要一个整页512b的dram缓存。2、同时为了兼容常规的word写功能，增加一位寄存器进行指示当前是burst写还是word写。3、如果采用burst整页写功能，要求应用下发的逻辑地址必须是一个页的起始地址。4、硬件同时会增加整页读写完成的标志或中断控应用进行下一步处理。
[0115]
系统提供burst写功能的原理流程结构如图4所示。将该功能的实现基于dma直接存取模块进行，主要原因是dma直接存取模块本身就需要具备ram与flash之间的读写搬移功能。dma直接存取模块涉及到flash操作的情况，软件启动后可以不查询dma直接存取模块完成状态，继而软件可以同时进行其它并行操作。
[0116]
burst写功能按word方式去进行flash页面512b即的编程需要时间是单次写一个word所需25us,写完64word时间＝64*25(us)＝1600us，比目前市面上的主流esim芯片的flash页面编程时间快一倍。nvm页面大小为512b，编程需要时间2*(100μs 53μs*32＝3592μs。
[0117]
本实施例中，对每个被java虚拟机选定的新应用都会根据其process表单源地址及表单字节数，尽可能多得将flash中的内容搬移到内存中运行，从而提高applet的执行效能。
[0118]
本系统中，当需要从flash中读取page内容时，使用dma直接存取模块的页读功能；当要修改flash中page内容时，使用dma直接存取模块的页檫除并写功能。因为使用了dma直接存取模块的功能，因而能够与cpu运行固件并行化处理，可以大大提高系统的性能。在本系统的芯片flash最小编程单元是一个word即4个字节。通过写入少量的word就可以存储下来相关信息，因此从而可以更好的降低整个esim卡芯片的flash编程功耗。
[0119]
从目前市场上的esim卡芯片来看，都存在nvm擦除或编程期间再次读nvm，后续指令将被挂起状态的情形。针对目前esim卡芯片的此问题，在本发明设计中将程序放在ilm_ram模块中运行，执行擦、写操作，程序可以继续运行，即cpu从ilm_ram模块中取指令并运行，在此同时flash处于擦除或编程状态之下，借此可以提高java卡的运行效能。
[0120]
从目前java卡的现有技术来看，大多使用定制的微型操作系统(rtos)，这样的架构下，芯片的功耗控制的不是很好，这些芯片都是在接口通信结束的情况下才可以进行低功耗模式，在java卡技术来看，其功耗控制是基于应用的事务的，因而cpu工作时间会较长，会增加芯片功耗。
[0121]
本发明的系统则不使用定制的微型操作系统(rtos)，java主循环由接口上的中断
来驱动固件，固件解析完了apdu指令就进入wait模式，当芯片完成向主机发送响应数据包完成中断产生后，将cpu从wait模式唤醒，而后进入更深层次的低功耗stop模式。如果在需要擦写flash，因为是使用dma直接存取模块来按页擦写flash，并且是在ilm_ram模块中运行程序的，在这种情况下，cpu从wait模式下被唤醒两次，一次是dma burst pagewrite完成中断，另一次是接口发送完成中断；而后进入stop模式。这样的系统架构设计能够使得esim卡的指令交互过程中到达最低功耗状态。
[0122]
在本设计系统架构下，芯片的7816接口ip可以提供255字节的接收发送缓冲区。swp接口ip从硬件层支持shdlc协议，固件接收到的数据是剥离shdlc协议层的原始上层数据包，可以提供128b的接收发送缓冲区，最大可以接收发送4个shdlc数据包。本系统设计的7816接口、swp接口上的接收发送缓冲区可以芯片内核的并行程度，接口发送响应数据包时，cpu进入wait模式，发送完毕后cpu进入stop模式。
[0123]
本实施例中，为减小芯片功耗，设计的pmu功耗管理模块很好地从系统层级上实现了芯片的低功耗管理，在电路结构上以门控时钟取代原始时钟。在ucaa及nvm擦写功耗较大模块工作时，会关闭其他不相关工作模块。在芯片stop模式下，将关闭cpu、dma直接存取模块、swp接口等数字模块，同时也逐级关闭osc_hf时钟、电压调节器、芯片传感器(电压调节器以及芯片传感器为系统基本功能，未在系统结构图中画出)等模拟模块。在芯片wait模式下，关闭cpu时钟、iso7816、swp接口，dma直接存取模块、eflash模块可以继续工作。
[0124]
pmu功耗控制模块实现系统的低功耗控制及管理，包括低功耗模式的进入及退出，低功耗唤醒源配置等，符合内部sfr总线接口时序。
[0125]
系统提供了多种低功耗控制模式，以满足多种场合对功耗的需求。具体如下：
[0126]
1、指令低功耗模式；cpu执行执行指令进入低功耗的模式，分为stop模式和wait模式；
[0127]
stop模式具体为：设置cup的stop指令，在stop模式下，除通信接口中由有外部时钟和内部osclf直接驱动的部分电路外，系统其它部分的时钟全部停止，模拟模块进入stop状态从而降低系统功耗；通信接口接收到数据/命令后，或接收到复位信号后，退出stop模式，系统时钟恢复为原来值；
[0128]
wait模式具体为：设置cpu的wait指令，cpu进入wait状态，这时cpu的时钟停止，以降低功耗，当中断发生时，cpu退出wait状态；
[0129]
2、ucaa低功耗模式；当applet要使用ucaa算法时，通过调用系统提供的ucaa apis函数来完成算法，在ucaa apis函数中设置寄存器，选择ucaa低功耗模式；在ucaa低功耗模式下，cpu启动ucaa运算模块后，系统其它部分的时钟将停止，以降低系统功耗；运算结束后，自动恢复系统时钟，退出低功耗状态；
[0130]
在ucaa低功耗模式下，当rsa算法开始运算后，clk时钟管理模块、eflash模块、des运算模块、sm1运算模块都将停止；
[0131]
3、nvm擦写低功耗模式；当applet要使用擦写flash时，通过调用系统提供的writeflash apis函数来完成，writeflash apis函数根据实际的擦或写或搬移功能设置寄存器，此时的目标地址是flash中的地址，配置完dma的寄存器，并重映射使能寄存器完成中断之后，此writeflash apis立即返回，无需等待；选择nvm擦写低功耗模式；在nvm擦写低功耗模式下，cpu启动flash erase或program后，系统其它部分的时钟将停止，以降低系统功
耗；erase/program结束后，自动恢复系统时钟，退出低功耗状态；
[0132]
在nvm擦写低功耗模式下，当flash erase/program期间，clk时钟管理模块、ucaa运算模块、des运算模块、sm1运算模块都将停止。
[0133]
系统支持多种唤醒方式及唤醒源软件配置。唤醒源为：1、gpio唤醒,支持全部的gpio(gpio0
‑‑
gpio10)；2、定时唤醒；3、接口唤醒(7816接口、swp接口、iic接口、spi接口、uart接口)；4、中断唤醒。
[0134]
在本发明的系统中，stop低功耗是芯片功耗最低的状态。在stop状态下，osc_hf时钟、电压调节器、芯片传感器等模拟模块全部处于stop低功耗状态，ram、数字电路时钟全部关闭。stop状态的进入和退出采用逐级控制策略，减少电流变化对电压调节器的影响。进入stop过程要逐级关断电路，退出stop过程要逐级开启电路。
[0135]
与现有芯片相比，本系统提供的低功耗控制时钟更多，因而整个芯片的功耗能够更低。
[0136]
本实施例中，由于本系统在ahb总线上挂载了dma控制器(即dma直接存取模块)及ilm_ram模块，因此可以大大提高数据并行处理的速度，可以使得esim卡具有高性能低功耗的特点。
[0137]
iram程序存放于iram中，不同于remap重映射程序执行，iram程序具有的逻辑地址在ilm_ram空间上，cpu可以直接访问并执行其中的程序；iram程序直接由编译器编译生成并存放于flash中；在实际的芯片使用中，可以在芯片上电后由管理程序或者用户程序将存放于flash中的某段iram程序搬移到iram中。
[0138]
在本发明中，将通信接口iso7816/swp isr，writeflash api，java_loop等重要的关键代码，在工程中通过修改链接文件，将这些apis设定成逻辑地址在ilm_ram空间上，物理地址在flash空间中的段中，即编译生成iram程序。
[0139]
系统主要使用的是7816接口和swp接口。支持硬件动态检测外部接口，即7816接口和swp接口的动态检测。7816接口检测结果会以7816复位中断方式通知软件，swp接口检测以接口检测中断方式通知软件。
[0140]
系统的java虚拟机，整个过程分为初始配置、应用激活及应用完成三个阶段。初始配置阶段主要由软件配置swp ip的参数并探测外部是否支持swp接口，以决定是否使能swp接口。初始配置完成后，进入应用激活阶段。由于芯片内各ip支持中断，因此软件可基于接口中断来实现应用，从而可实现对多接口应用的并行处理。
[0141]
初始化设置sys_jobcnt为0，当在7816_isr或者swp_isr中接收到apdu指令时sys_jobcnt会增加1，在java_loop中会将sys_jobcnt减少1。当sys_jobcnt非0时，接着进行apdu指令解析，使用sys_jobcnt来控制虚拟机的处理流程，使得7816接口与swp接口可以并行工作，从而不需要rtos，能够更好的降低系统功耗。
[0142]
初始化设置sys_waitingcnt为0，当applet调用7816接口发送api时sys_waitingcnt会增加1，在7816_isr中当是发送完成时sys_waitingcnt减少1。如果系统使用swp接口，当applet调用swp发送api时sys_waitingcnt会增加1，在swp_isr中当是发送完成时sys_waitingcnt减少1。在java_loop中会根据sys_waitingcnt是否是0，进入wait模式或stop模式。当applet调用writeflash apis时sys_waitingcnt会增加1，在dma_isr中当是发送完成时sys_waitingcnt减少1。
[0143]
系统的java_loop虚拟机的工作流程为：
[0144]
s1、系统上电后，cpu执行环境初始化，使用dma直接存取模块的搬移功能，从flash中将7816接口、swp接口和isr接口、writeflash api、java_loop拷贝到ilm_ram模块上，得到系统中可以用于remap的起始地址：0x00a01000；
[0145]
s2、系统java虚拟机初始化；
[0146]
s3、根据接口硬件检测结果，对7816接口和swp接口做寄存器配置，使能寄存器相应的接口中断；设置sys_waitingcnt，设置sys_jobcnt为0；从步骤s4开始进入虚拟机主循环java_loop api，它是iram程序；
[0147]
s4、若sys_waitingcnt不等于0，则调用汇编指令使得系统进入wait模式，重复步骤s4，直到被中断唤醒；若sys_waitingcnt等于0，则进入步骤s5；
[0148]
s5、调用汇编指令使得系统进入最低功耗stop模式；
[0149]
s6、系统接收到apdu指令，退出stop模式，若当前激活接口是7816接口，则设置apdu数据缓冲区指针到7816接口的数据缓冲区；若当前激活接口是swp接口，则设置apdu数据缓冲区指针到swp接口的数据缓冲区；sys_jobcnt减少1；
[0150]
s7、java虚拟机检查apdu指令，若当前指令不是manage channe命令或select命令，则进入步骤s9；若当前指令是manage channel命令，则java虚拟机进行相应的处理，写返回数据到apdu数据缓冲区中，之后进入步骤s10；若当前指令是select命令，则进入步骤s8；
[0151]
s8、由open选定当前目标应用之后，对该应用的process方法执行mmu存储器管理模块的remap操作，即从该应用的process方法对应的flash地址处将其对应的process方法表单字节码对应到的flash页面地址，借助dma直接存取模块的搬移功能，拷贝到ilm_ram模块的空间上，获取该方法的表单字节数remapsize并对齐到整k字节数，若remapsize大于12kb，则设定remapsize等于12kb，重映射原地址寄存器的源地址为表单flash整k字节数地址处，重映射目标地址寄存器的目标地址为0x00a01000，重映射长度寄存器的长度为remapsize，使能寄存器执行重映射功能，此时借助dma直接存取模块与cpu并行执行的特点，将remap的flash内容拷贝到ilm_ram模块上，最大12kb；java虚拟机写返回数据到apdu数据缓冲区中，之后进入步骤s10；
[0152]
s9、java虚拟机调用当前被选定的应用，对apdu指令进行解析，由于重映射了12kb的process方法操作所对应的字节码到ilm_ram模块上，所以能够提高java解析apdu指令的执行效能；若applet的process需要写flash，通过调用系统wrtflash api来将512b的数据写回flash，借助dma burstwrite功能将数据写入到目标flash地址处，在wrtflash api设置sys_waitingcnt增加1，dma直接存取模块完成中断，在该中断服务程序中将会设置sys_waitingcnt减少1次；写返回数据到apdu数据缓冲区中，之后进入步骤s10；
[0153]
s10、对当前接口，调用系统发送api将apdu数据缓冲区的数据发送给主机，在发送api中设置sys_waitingcnt增加1，并使dma直接存取模块发送完成中断，在该中断服务程序中将会设置sys_waitingcnt减少1；
[0154]
s11、如果sys_jobcnt不等于0，则返回步骤s6；否则返回步骤s4。
[0155]
通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：
[0156]
本发明提供了一种高性能低功耗的esim卡芯片系统，系统在ahb总线上挂载了dma
直接存取模块，使得程序的执行可以最大程度的并行化，从而大大的提高java卡的执行效能，减少了芯片工作时间，从而降低esim芯片整体功耗。系统在sys_ahb总线上挂载了ilm_ram模块并与cpu通过i_ahb总线相连，在使用中将需要提速的代码放在ilm_ram模块执行可以最大程度的并行化，从而大大的提高java卡的执行效能，减少了芯片工作时间，降低esim芯片整体功耗。系统将7816接口中断服务程序、swp接口中断服务程序、dma中断服务程序，writeflash api等关键功能固件代码定义成逻辑在ilm_ram模块上的，物理在flash上的，在ilm_ram模块中执行的程序，以提高整个芯片指令处理性能。系统在主机端下发apdu select指令，java卡虚拟机接收并解析到要选择一个不同的新的applet时，java卡虚拟机进一步处理取得选定applet的procees方法表单对应得flash页面地址及其表单的字节数大小，将对这段的flash内容进行mmu remap，这样重映射设计是动态的，即切换applet时，就会为新的applet做mmu remap操作，为关键代码做提速处理，从而提高java卡虚拟机的效能。系统使用dma的搬移功能来写flash页面，这实现并行化处理指令，提高芯片执行性能；writeflash api是ilm_ram程序，applet的的procees方法也在ilm_ram模块中运行，因此在进行flash页面编程时同时可以正常运行procees方法，而在java卡应用中写flash页面是经常使用到的操作，因而可以极大的提高java卡的性能。系统对flash的编程操作，都是通过dma直接存取模块进行的，因而能够与cpu运行固件并行化处理。在本芯片里flash最小编程单位为一个word即4个字节，flash写入四个字节需时25微秒，本系统的flash页面512b编程时比市面上的主流esim芯片的flash页面512b编程时间要快上一倍，当java卡应用在使用本发明设计的dma burst读写功能，java卡应用的执行效能更高，由于flash的编程时间大大减少了，因而可以大大降低整个芯片功耗。一个当在flash页面在快要写满时，才需要使用dma burst写功能将flash页面擦除后重新写入数据，在这样的策略下，esim卡在flash上的功耗会大大降低。系统低功耗控制架构，基于接口收发数据包状态主动进入低功耗模式的；接口ip的收发缓冲区使得，cpu处于wait模式下，接口自动发送数据包给主机，从而将接口上的cpu处理时间减少到最少，从而降低esim芯片整体功耗。swp接口在硬件层面上支持shdlc协议的通信控制，接收到数据包是hci层的数据，无需程序花费很多指令去进行shdlc组包以及shdlc通信协议控制。
[0157]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。