A980芯片技术工作总结报告

1、A980 智能卡及智能密码钥匙芯片技术工作总结报告北京天一集成科技有限公司BEIJING AONE INTEGRATION CO., LTD目录一、 A980 芯片概述 1二、项目研制的背景和意义 22.1 智能卡应用领域22.2智能密码钥匙应用领域 42.3国外技术发展4EMV 迁移 4国外相关技术发展 5国外金融 IC 卡产品市场调研 62.4 国内技术发展7三、芯片主要研制过程93.1第一阶段：把 0.25 微米工艺的向0.18 微米移植，型号为 A98093.2第二阶段： A980 第二版设计 93.3第三阶段：新版开发系统设计10四、技术方案和技术路线 104.1 A980 芯片设计

2、原则 104.2关键技术及创新点114.3 芯片研发的技术路线124.4主要功能模块设计和使用情况13五、逻辑框图14六、芯片功能及工作原理146.1 32 位 RISC CPU14功能概述 14引脚 15内部结构 16内部寄存器 16存储器 16寻址方式 16端口操作 17标志位 18指令指针寄存器RIP18堆栈指针寄存器 RSP19操作指令 19指令周期 19接口时序 20中断处理 206.2 公钥算法加速引擎21公钥算法概述 21超长字宽处理技术在模乘运算中的优势22模乘 ASDSP 的硬件设计 236.2.4模乘序列的高速调度 236.2.5乘法器硬件的逻辑结构246.3 随机数发生器

3、 246.3.1真随机数发生器的作用246.3.2真随机数发生器应当满足的两个基本要求 256.3.3真随机数发生器的一般原理256.3.4采用运算放大器的不足之处256.3.5振荡器计数器方案的不足 256.3.6天一集成采用的振荡器、 A/D 变换器方案 266.3.7真随机数发生器的模型框图266.3.8真随机数发生器的结构框图：266.3.9真随机数发生器的预测性能指标 266.4 RAM276.4.1概述 276.4.2端口说明 276.4.3内部框图 276.5 ROM276.5.1概述 276.5.2端口说明 276.5.3引脚说明 286.5.4内部结构 286.6 UART

4、接口 286.6.1UART 功能描述 286.6.2端口说明 286.7 ISO-7816 接口 296.7.17816 功能描述 296.7.2端口说明 296.8 USB 接口 :296.9 SM1 密码算法模块306.10 SSF33 密码算法模块316.11安全检测防护模块 316.12物理版图设计 31七、芯片封装及管脚定义 317.1A980芯片封装引脚图 317.2A980芯片实物图 33八、技术指标 33九、典型应用模式 349.1 作为智能密码钥匙芯片的典型应用电路（普通型）349.2 作为智能密码钥匙芯片的典型应用电路（增强型）34十、典型应用流程3410.1USB 通讯

5、接口 3410.2IC 卡（ ISO 7816）接口 3510.3UART 串行通讯接口 3510.4SSF33 密码算法加速引擎 3610.5RSA 公钥密码算法加速引擎3610.6SM1 密码算法引擎 3710.7硬件 CRC 校验算法加速引擎3710.8真随机数发生器 37十一、数据通讯及密码算法接口函数3711.1FLASH 操作函数 3711.2 SM1 加解密操作函数3811.3 SMS4 加解密操作函数3811.4 SSF33 加解密操作函数3811.5 SM3 加解密操作函数3811.6 SM2 加解密操作函数3811.7 RSA 加解密操作函数3911.8随机数操作函数 39

6、11.9看门狗定时器操作函数3911.10 USB 通讯接口函数4011.11 UART 通讯接口函数4011.12 SPI_FAST 通讯接口函数4011.13 GPIO 接口函数4011.14 STRING 接口函数4111.15 PRINTF 接口函数4111.16 W25X80 接口函数4111.17 LCD(128*64无字库 )接口函数4111.18 LCD(64*32带字库 )接口函数42十二、芯片研制经费42一、 A980 芯片概述天一集成 A980智能卡及智能密码钥匙芯片是A780芯片的升级产品，进一步增加了功能、提升了性能、降低了成本。该芯片以天一集成公司自主研发的32 位

7、 RISC CPU为核心处理器，内置公钥（SM2、RSA、ECC）、分组（SM1、SMS4、SSF33）和散列 (SM3、SHA-1、SHA-256)等三类多种密码算法加速引擎。芯片配置了8KB SRAM、256KBFLASH存储器和 USB、GPIO、UART、SPI、ISO7816等通讯接口， 具有成本低、功耗小、功能多和速度快的优异特性，综合性价比与国内外同类技术产品相比具有比较竞争优势。该芯片可应用于智能卡、 智能密码钥匙（USB KEY）、 RF-SIM、SD-KEY、读卡器、加密卡等多种安全产品。A980 芯片内置自主研发的超低功耗32 位 CPU，主频 24M，采用0.18 微米

8、生产工艺，规模为260 万 MOS管（其中未包括FLASH等外部 IP 在内）。采用 TSSOP 24脚封装。芯片工作电压 2.7V5.5V，平均工作电流为 4mA，计算公钥密码算法时最大峰值电流 16mA。A980 芯片主要生产指标如下表：项目生产指标或参数内置处理器32 位RISC CPU外部时钟输入2/4MHz内部工作主频12/48MHz生产工艺中芯国际0.18umCMOS集成规模260 万MOS管（未包括Flash 等外部IP 在内）芯片引线24 条平均功耗4mA最大峰值功耗16mAIC卡封装标准8 引线USB KEY封装TSSOP24或 LQFP64二、项目研制的背景和意义本项目面向

9、的应用领域为高端智能卡和智能密码钥匙市场。2.1 智能卡应用领域根据欧洲供应商协会 Eurosmart 的统计， 20XX 年全球高端智能卡的出货量达 12.5 亿，而 20XX年高达 14.9 亿。其中最大的需求来自手机 SIM卡、银行卡和零售卡市场。金融 IC 卡市场占据 IC 卡高端市场的近 90%。随着 EMV迁移计划的推进， Visa 、Master 、JCB 等主要支付财团在 20XX 年以前将 98% 的磁卡替换为 IC 卡；据预测，未来几年，中国 IC 卡市场占有份额最大的几个领域的发展趋势为：银行卡20XX年 3 月 15 日，中国人民银行发布中国人民银行关于推进金融 IC

10、卡应用工作的意见（以下简称意见），决定在全国范围内正式启动银行卡芯片迁移工作，在“十二五”期间全面推进金融IC卡应用，以促进中国银行卡的产业升级和可持续发展。意见就金融 IC 卡受理环境的改造和商业银行金融IC 卡的发行提出了时间表，见表。表:金融 IC 卡受理环境的改造和商业银行金融IC 卡的发行时间表时间受理环境改造情况20XX年6 月底前直联POS（销售点终端）能够受理金融IC卡20XX年底全国性商业银行布放的间联POS能够受理金融IC卡20XX年底前ATM（自动柜员机）能够受理金融IC卡20XX年所有受理银行卡的联网通用终端都能够受理金融IC 卡时间发行情况20XX年6 月底前工、农、

11、中、建、交和招商、邮储银行应开始发行金融IC 卡20XX年 1 月 1 日起全国性商业银行均应开始发行金融IC 卡20XX年 1 月 1 日起在经济发达地区和重点合作行业领域，商业银行发行的、以人民币为结算账户的银行卡均应为金融IC 卡目前我国已明确提出了金融 IC 卡迁移的日程。截止到 20XX 年末， 20XX 年初我国市面发行了约 24 亿张银行卡（其中仅 900 万张金融 IC 卡），在未来若干年内金融 IC 卡将全面替代磁条卡，这个迁移过程在提高我国金融 IC 卡安全性的同时，必将创造巨大的经济效益和社会效益。在已发行的 24 亿张磁条卡中，若以20 亿张卡为基数，进行磁条卡向 IC

12、 卡的迁移，每张 IC 卡以 10 元计，则现有银行卡存量市场的改造就有 200 亿元的空间。此外按照近年我国银行卡每年 10%20% 的增速计算，每年自然增长的银行卡需求约为 3 亿张；依据经验，存量卡的年换卡率约为 8%，则每年可新增 1.5 亿张银行卡；合计年增加约 4.5 亿张，如全为银行 IC 卡，则每年约有 45 亿元的市场需求。社保卡我国社保卡 20XX年发卡 1470 万张，到 2011 已累计发卡 1 亿张。“十二五”规划提出， 到“十二五”末期， “全国统一的社会保障卡发放数量达到 8 亿张，覆盖 60%人群”。为了保障社保卡的高安全性，人社部统一规范， 社保卡全部采用接触

13、式 CPU卡，实行全国统一的密钥管理体系。也就是说， 8 亿公民五年内拥有社保卡。除去已经发放的 1 亿张社保卡，对集成电路企业意味着一年要供应 1.4 亿颗社保卡芯片。基于高端智能卡具有很好的发展空间， 本项目的目标之一是研发满足高端智能卡需求的密码算法芯片。2.2 智能密码钥匙应用领域智能密码钥匙（以下称 USB KEY）相对于智能卡来说属于新兴市场，但近年来发展非常迅速。 随着互联网和电子商务的发展， USBKEY 作为网络用户身份识别和数据保护的 " 电子钥匙 " ，专门用于存储秘密信息，是数字证书的最佳载体。由于 USB Key 本身作为密钥存储器，其自身的硬件结

14、构决定了用户只能通过厂商编程接口访问数据，这就保证了保存在 USBKey 中的数字证书无法被复制，并且每一个 USBKey 都带有 PIN 码保护，这样 USBKey 的硬件和 PIN 码构成了可以使用证书的两个必要因子。如果用户 PIN 码被泄漏，只要保存好 USBKey 的硬件就可以保护自己的证书不被盗用，如果用户的 USBKey 丢失，获得者由于不知道该硬件的 PIN 码，也无法盗用用户存在 USBKey 中的证书。与 PKI 技术的结合使 USBKey 的应用领域从仅确认用户身份，到可以使用数字证书的所有领域。USB Key目前已经成为电子政务和电子商务领域最为流行的身份认证方式，被广

15、泛应用于企业网上银行、金融证券交易管理、数字签名、电子商务交易等领域。 具不完全统计， 20XX年，国内市场 USBKey的销量已经达到 500 万只以上，而且还在以每年扩大 50以上的速度增长。本项目的目标之一是面向 USBKEY市场，研发一款只需单芯片即可完成 USB KEY功能的密码算法芯片。2.3 国外技术发展 EMV 迁移以欧洲为代表的一些发达国家和地区很早就认识到了金融卡将由磁条卡向 IC 卡迁移的趋势。为了在金融 IC 卡支付系统中建立卡片和终端接口的统一标准， 使得在此体系下所有的卡片和终端能够互通互用，并大大提高银行卡支付的安全性，减少欺诈行为，欧洲支付（ Europay）、

16、万事达（ MasterCard）及维萨（ Visa）三方共同制定了一套基于集成电路卡的金融支付标准。 EMV2000 是框架性约束，我国也基于国情制定了兼容 EMV2000 的 PBOC2.0 标准。国外相关技术发展目前，国外以欧洲为主的一些发达国家和地区金融IC 卡在安全性和普及率方面领先于我国金融IC 卡的现有研发和应用水平。 NXP、Infineon 金融 IC 卡芯片产品代表了当前国际上智能卡芯片的最高科技水平，应用范围最广，销售规模最大。这些芯片产品广泛的应用于EMV 支付、电子钱包、 社保、数字签名、 ID (Identity) 验证和 GSM 等领域。因此，下文以NXP、Infi

17、neon 的产品为例，分析当前国外主流金融 IC 卡芯片的技术水平。NXP 典型的金融 IC 卡芯片产品为 P5CD 系列，该系列产品采用Secure_MX51 处理器技术，可支持接触式、非接触式、双界面接口。P5CD系列芯片支持RSA/ECC及3DES算法，外部时钟频率为1MHz10MHz，内部时钟频率最高达60MHz，供电电压范围为1.6V5.5V ，工作温度范围为 -2585。主要应用于电子签证、身份证、医保卡、安全设备、手持设备和JAVA 卡等。Infineon 应用于金融 IC 卡的主打产品有SLE66、SLE77、SLE78和 SLE88 四大系列： SLE66 是 Infineo

18、n 市售智能卡的主力产品，使用 8 位或 16 位 CPU，支持 3DES、AES 分组算法和 RSA、ECC 公钥算 法 ， 外 部 时 钟 频 率 为 1MHz7.5MHz ， 内 部 时 钟 频 率 是1MHz33MHz ，供电电压范围为1.65V5.5V，工作温度范围为 -2585。两家公司具有代表性产品的参数对比见表:。表:当前主流产品的关键参数对比表CPU推出3DESRSAROMRAM公司产品(1024)EEPROM (KB)（ bit ）时间(us)(KB)(KB)(ms)NXP8P5CD 系列2011/340302647.516808/16SLE66 系列2007/115.31

19、2424-2442643216SLE77 系列2008/1128224/228836144Infineon16SLE78 系列2008/11224/22883614432SLE88 系列2010/11166160/29216/32FLASH ： 352660RISC国外金融 IC 卡产品市场调研20XX 年，中国人民银行调查和统计得到以下数据：全球已经实施或计划实施银行卡芯片化迁移的国家和地区超过了30 个，发行符合 EMV2000 标准的金融卡近 2 亿张，布放符合 EMV2000 标准的终端超过 200 万台。欧洲和亚太地区走在全球的前列，其中欧洲全面启动了迁移计划，20XX 年底已有 5

20、0的卡片符合了 EMV2000 标准，20XX 年 VISA 和 MasterCard在欧洲启动风险转移政策， 从 20XX 年开始，所有 Visa 和 MasterCard 品牌的 IC 卡都必须符合 EMV2000 标准；亚太区也有 10 多个国家和地区启动了 EMV 迁移计划，其中日本、韩国、马来西亚和中国台湾地区正在进行全国、地区性的迁移。香港、新加坡、澳大利亚、新西兰已经进行了试点或部分启动了迁移，亚太区的其它国家/地区（包括中国）都在进行芯片化迁移评估或准备。目前亚太区 EMV 卡片发行量和终端布放量都约占总的卡片和终端的56，且每年都以近100增量增长。美国也在关注 EMV 迁移

21、的动向， 在小额零售业积极推广符合 EMV2000 规范的非接触式金融 IC 卡。截至 20XX 年 6 月底，全球发行符合 EMV2000规范的银行卡 7 亿张（其中 VISA 卡 3.35 亿张， MasterCard 卡 3.45 亿张），符合 EMV2000 规范的 POS终端 800 万台。英法两国发展最为迅速，已于 20XX 年完成迁移。因此银行卡芯片化已经并且还将持续对全球银行卡产业产生重大影响，成为国际银行卡产业发展的必然趋势。国外以欧洲为代表的一些发达国家和地区金融 IC 卡已经逐步替代磁条卡成为市场上占主导地位的金融 IC 卡，得到了广泛的应用。欧洲、亚太及中国最近几年符合

22、 EMV 迁移标准的智能 IC 卡发卡数量情况如下图所示。图: 欧洲、亚太和中国符合EMV 迁移标准的银行卡发卡数量估算2.4 国内技术发展我国的 IC 卡产业及应用始于20 世纪 90 年代初，是伴随着政府启动的“金卡工程”而发展起来的，至今已有十多年的历史。在此期间，我国的IC 卡产业及应用从无到有、从小到大，迅速走过了启动阶段，发展速度惊人。我国已经成为IC 卡产业大国，但远非IC 卡强国。一方面，目前国内各种应用的智能卡使用广泛，如SIM/USIM卡、银行卡、医疗保险卡、 组织机构代码卡、 报税卡、报关卡、身份证卡、交通卡等，市场非常庞大。近两年来，我国的IC 卡年发卡量均超亿张，年增

23、长率达到30 40。在智能卡研发能力方面，国内的中芯国际、华大、大唐、中兴等多家集成电路设计企业均致力于智能卡芯片和智能密码钥匙 (USB KEY)芯片的设计并初步实现了多种产品的产业化，已经掌握了智能卡芯片设计的多项核心技术； 同时一批优秀的智能卡 COS开发商也在国内迅速崛起， 他们紧跟智能卡应用市场的需求，开发满足行业应用及跨行业应用的卡操作系统， 包括握奇数据、华旭金卡等。在芯片生产环节上，上海中芯国际、中芯国际、上海宏力等多家国内集成电路代工厂能提供代表国际先进水平的芯片制造技术，同时，国内已经建成了多家颇具实力的 IC 卡封装生产线，例如中电智能卡、上海长丰、上海索力克等都具备了成

24、熟的 IC 卡封装工艺并拥有大批量生产能力， 所有这些这都极大地推动了我国智能卡产业的发展并为国产芯片产业化提供了可靠保障。 IC 产业链中的设计、制造、测试、封装、以及应用软件的开发初具规模，已经从前几年采用进口智能卡芯片逐渐向使用国产芯片的阶段转化。另一方面，我国还远非 IC 卡强国。主要体现在以下几个方面：产业结构不够合理，很多地区 IC 卡产业还没有完整形成，有的只是在产业的某个环节上有所突出。产业成熟度主要集中在生产环节上，有产能过剩和盲目的现象。 与生产环节相反， 从事高端研发的企业数量偏少，芯片设计和 COS开发等方面都比较缺乏， 自主知识产权的高端智能卡技术亟待发展；尤其是在当

25、今移动通讯向 3G 发展、金融行业磁卡向 EMV卡大规模转移的时期， 高端智能卡的市场需求比例将逐步增大，这一矛盾日渐突出。目前，国内真正意义上自主知识产权的高端智能卡产品还是空白。 根本原因是国内智能卡设计技术尚处于发展阶段，高端智能卡芯片中采用的一些关键技术还未完全掌握， 主要是指智能卡芯片 CPU性能及运算速度、加密算法及相关安全技术匮乏。而天一集成 A980 芯片的研制开发成功，在缩小了国内外差距，有利于提高国内智能卡和智能密码钥匙芯片的技术水平和市场占有率。三、芯片主要研制过程3.1 第一阶段：把0.25 微米工艺的向 0.18 微米移植，型号为A9801. 20XX年 11 月 A

26、980项目启动；2. 完成天一集成 SOC设计平台从 0.25um 工艺到 0.18um 工艺的转换，形成 0.18um 工艺下，设计天一全定制 SOC的基本逻辑电路库；3. 完成模拟电路部分的模块设计，基本形成完整的、便于调用的模拟电路库，适应全定制 SOC设计的需要；4. 完成密码算法协处理器，包括： SM2/RSA/ECC公钥密码算法协处理器和 SM1/SSF33分组密码算法协处理器和 SM3、SHA-1、SHA-256散列算法协处理的电路及版图设计；5. 完成 USB接口的电路及版图设计；6. 熟悉主要的 Foundry 厂商 Smic 的 0.18um 工艺，包括 Logic 、Mi

27、xed、eFlash 几个工艺的基本设计参数，及设计流程；7. 20XX年 3 月底完成全部移植工作和验证工作；8. 20XX年 4 月初数据提交中芯国际，进行 MPW流片。9. 20XX年 8 月初收到流片成品， 8 月底封装完毕，开始测试3.2 第二阶段： A980第二版设计1. 20XX年 11 月开始 A980第二版的设计修改及验证工作2. 完成外部 IP 连接，包括 FLASH的仿真验证和版图连接；3. 完成芯片整体的仿真验证和 LVS、DRC验证，根据中芯国际生产要求生成流片数据；4. 20XX年 2 月中旬正式向中芯国际提交生产数据，采用0.18 微米带 FLASH生产工艺。5.

28、 20XX年 5 月初收到中芯国际流片成品，进行样片封装；6. 20XX年 5 月 6 月，进行芯片测试，测试情况如下：CPU、ROM、RAM、MMU、FLASH、SM2、RSA、SSF33、SM1、SM3、SHA-1、SHA-256、CRC、真随机数发生器、 ISO-7816 接口、UART接口、 USB接口等部件工作正常，达到设计要求。工作频率测试结论：可在 12M48M工作频率下正常工作，达到设计要求。功耗测试平均工作电流在 4mA左右，计算公钥密码算法时，最大峰值功耗 16mA，在同类产品中功耗属于较低水平。3.3 第三阶段：新版开发系统设计20XX年 1 月 6 月完成芯片开发系统设

29、计，包括以下工作：1. 完成 A980芯片开发板的设计和制作。2. 完成 A980 芯片新编集成开发系统软件和新版汇编语言编译器和新版 C语言编译器开发。3. 完成 A980芯片底层通讯函数、 密码算法函数及其它函数的编程和测试。4. 完成天一集成 A980 芯片使用手册四、技术方案和技术路线4.1 A980 芯片设计原则本项目以行业标准作为设计依据， 结合实际应用的要求， 用最佳设计方案体现最高的性能价格比， 是本项目设计的指导思想， 也是本项目设计的基本出发点和追求的目标。 “高质量”及“低成本”和“高集成”及“低功耗”是本项目设计的两条主线。本项目采用了先进的IC 设计技术和工艺，具有完

30、全独立自主知识产权。先进性：在投资费用许可的情况下，系统采用当今先进的IC 设计技术和生产工艺，在系统设计上确保技术的前瞻性， 采用国际最先进的全定制版图设计方式；在生产上选择即可靠又先进的 0.18 m双层金属、单层多晶硅带耗尽管注入的双阱 ( 或 N阱) CMOS工艺，立足国内生产制造。一方面能反映系统所具有的先进水平， 另一方面又使系统具有强大的发展潜力，以便该系统在尽可能短的时间内投入生产与应用， 以及系统今后的功能扩展。安全性：本项目采用采用先进的SOC技术构筑系统平台，充分利用 SOC中 CPU效率高、硬件可编程能力强，以及芯片规模大、速度快的特点，极大地提高系统安全性能。尤其是对

31、于本项目面向的高智能 IC 卡来说，具有更好的安全性保障。 可靠性： 系统最重要的就是可靠性， 系统一旦瘫痪的后果将是难以想象的，因此系统必须可靠地、能连续地运行。在系统设计时，从系统结构设计、功能模块的算法设计、工艺选择、 IC 制造厂家的技术水平等各方面均应严格要求， 确保本项目的成功研发， 以及产品运行故障的可能性尽可能小。 即便是出现故障时， 影响面也在可以控制的范围内。4.2 关键技术及创新点（ 1）技术关键是满足技术标准前提下的低成本实现高端智能卡和智能密码钥匙程序对硬件资源要求较高， 使得芯片成本偏高。虽然性能卓越，但直到近几年才得到广泛应用。具体来说，开发的核心技术问题就是要解

32、决：低成本实现较强处理能力的32 位 CPU核；低成本实现运算速度适宜的片内公钥密码算法协处理器。天一集成正是在上述两个方面具有明显的技术优势。（ 2）32 位 CPU核天一集成核心技术优势之一是拥有独立自主知识产权的32 位CPU 核。该 CPU核具有高性能低成本的优势，芯片面积尺寸极小，功耗极低，非常适合用作 IC 卡芯片的微处理器。（3）公钥算法协处理器天一集成拥有满足IC 卡应用要求的低成本、 低功耗公钥处理器。天一集成公钥密码算法协处理器的关键技术是实现超长字宽数据的快速模乘与模幂运算， 在体系结构上， 采用了基于 256 位超长字宽数据运算、存储、交换技术，并配合流水线并行计算技术

33、，与基于 32 位或 64 位字宽的数据运算技术相比，大大提高了运算速度。在设计方法上，使用了全定制、多相时钟、动态锁存结构的设计手段，减小了芯片面积、降低了功耗、提高了运算速度。在算法数学处理方面， 采用滑动窗优化编码快速 4 位模幂乘和蒙哥马利快速 8 位模乘计算技术， 有效降低了运算复杂度， 提高运算效率。4.3 芯片研发的技术路线基于自主研发的32 位 RISC CPU 核，构架包括各种加密协处理器、定时器、随机数发生器等在内的外围 IP，通过软硬件协同设计技术完成规定的功能和性能指标 ,并形成最终的 IC 卡芯片。同时为片上软件系统开发提供必需的 C 语言编译器、汇编语言编译器、及调

34、试仿真器。下图为芯片研发技术路线图和软硬件协同设计方法：4.4 主要功能模块设计和使用情况功能模块设计或使用情况32 位RISC CPU天一集成自主设计MMU存贮管理器天一集成自主设计滚筒移位寄存器天一集成自主设计SRAM天一集成自主设计ROM天一集成自主设计FlashIPSM1/RSA 加速引擎天一集成自主设计SM1天一集成自主设计SSF33天一集成自主设计SSF33天一集成自主设计SM3天一集成自主设计SHA-1天一集成自主设计随机数发生器天一集成自主设计CRC 运算器天一集成自主设计USB 接口天一集成自主设计7816 接口天一集成自主设计UART接口天一集成自主设计SPI 接口天一集成

35、自主设计并行高速接口天一集成自主设计PLL 时钟倍频天一集成自主设计电源管理天一集成自主设计安全检测天一集成自主设计五、逻辑框图芯片体系结构逻辑框图:六、芯片功能及工作原理A980 芯片的功能包括： 支持公钥算法片内密钥管理（密钥生成、密钥存储、密钥更新等），片内签名及身份认证 （SM2公钥算法、 10242048 位 RSA 公钥算法）； 支持密码算法高速率数据加解密（ SSF33 及 SM1国产密码算法）； 支持散列算法（ SM3、SHA-1、SHA-256）； 内置硬件随机数发生器，支持真随机数输出； 支持标准的 ISO-7816、USB及 UART通讯 内置大容量 FLASH存储器保存

36、用户程序及数据； 支持标准 C 语言及汇编语言开发应用程序， 提供密码及通讯库函数；6.1 32 位 RISC CPU功能概述32 位 RISK CPU，是天一集成公司拥有完全独立的知识产权，具有独特的指令系统、逻辑结构和版图设计的中央处理器。采用0.18 m 五层金属、单层多晶硅的 N 阱 CMOS 工艺。工作主频 120MHZ 。其主要功能如下：1、32 位外部数据 /地址总线。 32 位内部数据寄存器4 个、地址寄存器 4 个。2、16 位字宽的指令体系。程序存储采用16 位字宽。绝大多数指令只有一个指令字， 只有两条指令使用了两个指令字。所有指令的执行均在一个指令周期内完成。3、程序空

37、间和数据空间分开访问，各自占用独立的编址空间。程序空间可寻址范围为16M 。数据空间寻址范围为4G。支持多种寻址方式。4、提供加法、带进位加法、减法、位与、位异或、递增、递减、左移、带进位左移等运算。5、8 bit 标志寄存器。6、体系结构设计优先考虑支持大数据量的操作，并提供了充分的硬件加速器扩展能力。7、支持堆栈方式调用子过程，堆栈指针有专用的寄存器。引脚图： 32 位 RISK CPU 引脚图表： 32 位 RISK CPU 引脚说明引脚名说明备注nDB<31:0>双向数据总线，传输地址、指令及数据ResetZ<9:1>nZ2a、 nZ2b、 nZ0输入，复位信号

38、输入， 12 相时钟信号nZ0 、nZ1 、 nZ2、 nZ2a、 nZ2b 、 nZ3 依次有效nInt_n15:0输入， 16 个中断源，中断申请信号，优先级0 最高， 15 最低RFlag<23:0>输入，26个RF端口，外部输入状态位，Rflag_addin<1:0>Rflag_addin 标志位，在发生中断时被保护起来nRDnWDnPSENnDSENnFTENnRMENnRPENRnWRPBitPort<>输出，总线数据读信号线输出，总线数据写信号线输出，程序空间选定信号线输出，数据空间选定信号线输出， FT 端口选定信号线输出， RM 端口选定信

39、号线输出， RP 端口选定信号线输出， RP 端口读 /写控制信号线输出， RB 端口，根据使用系统定义内部结构图: 32 位 RISK CPU逻辑框图内部寄存器32 位 RISK CPU 内部有数据寄存器共四个： RD0、RD1、RD2、RD3，可用于数据运算作为源寄存器或目标寄存器，地址寄存器共四个： RA0 、RA1 、RA2 、RSP，用于寄存器间接寻址，所有这四个寄存器均可用来访问 RAM ，其中 RSP专用于堆栈指针。存储器32 位 RISK CPU 将存储器空间分为程序存储器和数据存储器，程序存储器由只读存储器（ ROM）构成，数据位宽为 16 bit，数据存储器由随机存储器（

40、RAM ）构成，数据位宽为 32 bit。寻址方式a) 立即数寻址下面两种指令支持立即数寻址方式：RD=N （N 为 24 位二进制数据）和RA+/-=N （0N255），其中 RD 是 RD0RD3，RA 为RA0RA2 ，RSP。b) 直接寻址对于所有内部寄存器采用寄存器直接寻址方式，用RD、RA 关键字后缀编号表示，例如RD0，RD1，RA2 ，RSP，等等。c)寄存器间接寻址为方便访问存储器空间， 系统提供了如下几种寄存器间接寻址方式，以 M表示，简单寄存器间接寻址：如MRA0；寄存器相对寻址方式：如MRA1+N；基址加变址寻址方式：如自动递增寻址方式：如自动递减寻址方式：如MRA1+

41、RD0;MRA1+ ，M+RA1;MRA1- ，M-RA1;端口操作32 位 RISK CPU 在端口方面，做出了非常灵活的结构。这些端口为 CPU 的功能扩展提供了方便条件。大部分功能是通过端口访问协处理器完成的。其端口分为四类：第一类： RP 端口（寄存器 I/O 端口），32 位宽，共 28 个，记为RP0RP27。可以对此类端口进行读或写操作。第二类： FT 端口， 32 位宽，共 16 个，记为 FT0FT15。对于 FT端口，一条指令内完成两个操作，首先是对FT 的写操作，后面紧跟一个对 FT 的读操作。第三类： RM 端口， 32 位宽，共 28 个，记为 RM0RM27 。RM

42、端口，可以有三种操作方式，第一是读操作，二是写操作，三是先读再跟一个写操作。第四类： RF 端口，共 31 个，为输入标志端口，每个端口只有一位宽，记为 RF0RF30。这些端口作为外部硬件运算标志，直接作用于程序的执行流程。标志位表： 影响 ALU 标志位的指令CarryOverflowOverUpZero-RA+/-=N-+=,+=,-=<<, <<+, -&=, =-FT-return指令指针寄存器RIPRIP 是指令指针寄存器，其内容为下一指令的地址。加电复位时自动设置为 0，亦即，加电复位后程序从 0 开始执行。与 RIP 相关的指令和过程如下：a)

43、中断过程CPU 检测的中断信号后， 将 RIP 设置为 0，因此上电复位程序和中断服务程序入口都是 0，在该程序中判断中断标志，决定进入中断服务还是进行上电复位。b) 跳转指令执行长跳转指令时将跳转地址设置到RIP，执行短跳指令时将RIP 加上或减去给定偏移量。c)sub、return 指令执行 sub 指令时将 RIP 在执行此指令之前的值压栈，执行return指令时将栈顶的值置入RIP。堆栈指针寄存器RSPRSP 是堆栈指针寄存器， 使用之前必须初始化， 通常把它初始化为 RAM 的大小。进栈操作时，先将 RSP 的值减 1，然后再把数据送入 RSP 所指的栈顶，出栈操作时，先把 RSP

44、所指的栈顶数据取出，然后再将 RSP的值加 1。每次操作完， RSP 总是指向栈顶。操作指令表 32 位 RISK CPU 操作指令（部分）操作对象存储器 M数据寄存器地址寄存器栈指针RD(RD7 RD0)RA(RA7RA0)( 包含 RM端口)RSP(RA3)操作类型(RM15 RM0)RD(7:0)L=N (0 N<256)RA(7:0) ±=N(0 N<64)RSP±=N立即数操作RD(7:0) ± =N (0 N<64)(0 N<64)RD(7:0)=N(N 24bit)RD(7:0)H=N(0 N<256)RDX<=&

45、gt;RDYRA(2:0)<=>M RSP<=>RD0 M <=>RDRD<=>RPRA(7:0)=RSPM <=>RPRD<=>M RA(7:0)<=>RDM <=>RA(2:0)数据传送： <=>MMU_RD0<=>MMMU_RD1<=>MRD0<=>RSPRD0=RA(7:0)指令周期32 位 RISK CPU 的多数指令是 16 比特，单周期指令，只有长跳转指令和 RD=N 是 32bit，但同样是单周期指令，每条指令执行占用6 个机器周期。每

46、条指令的执行周期最多只有一个存储器周期(存储器操作 )。此时共有12 个相位时钟做为CPU 时钟，并允许相邻相位时钟之间有重叠。指令周期分配如图所示：图：指令周期示意图接口时序接口时序图： 32 位 RISK CPU的接口时序图32 位 RISK CPU 工作时钟是由 10 相时钟信号 Z<9:0>提供的。从Z0 至 Z9 为一个指令周期，CPU 内部正是依靠这10 相时钟信号驱动，完成指令操作的。 Z0Z9 的相邻相位允许重叠。相对外部接口电路而言，CPU 对外操作分为读、写两种过程，分别由 nR、nW、RnWRP 信号控制。读写空间可分为五种空间，分别为：程序空间由 nPSEN 选定、数据空间由 nDSEN 选定、 RP 端口由 nRPEN 选定、FT 端口由 nFTEN 选定、RM 端口由 nRMEN 选定。所有操作地址和数据全部通过 nDB 总线在相应时序位置上提供。中断处理天一集成 CPU