CVM中棧與幀的研究和設(shè)計(jì)解析

近年來(lái)，智能卡已經(jīng)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)、生活的各個(gè)領(lǐng)域，相關(guān)技術(shù)也得到了迅猛發(fā)展。Java技術(shù)具有安全、簡(jiǎn)單、即時(shí)編譯和跨平臺(tái)的眾多優(yōu)點(diǎn)，將Java技術(shù)運(yùn)用于智能卡的開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，已經(jīng)成為智能卡技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)。Java卡是一種能運(yùn)行Java應(yīng)用程序的智能卡，支持部分Java編程語(yǔ)言，是Java技術(shù)和智能卡的一個(gè)成功結(jié)合。Java卡技術(shù)的核心是Java卡虛擬機(jī)JCVM（Java Card Virtual Machine）。不同于一般的Java虛擬機(jī)，由于受到智能卡存儲(chǔ)與處理能力的限制，JCVM的可用資源非常有限。通常JCVM對(duì)于內(nèi)部資源的管理和使用非常嚴(yán)格。
　　1 JCVM和相關(guān)技術(shù)簡(jiǎn)介
　　由于智能卡的可用資源非常有限，不可能在智能卡內(nèi)實(shí)現(xiàn)JCVM的全部功能，所以，通常將JCVM分為卡外虛擬機(jī)和卡內(nèi)虛擬機(jī)兩部分?？ㄍ馓摂M機(jī)可運(yùn)行于一般的PC或SUN工作站上，主要工作是將由Java語(yǔ)言編寫的class文件轉(zhuǎn)換成為字節(jié)碼形式的CAP文件。而卡內(nèi)虛擬機(jī)在智能卡內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，負(fù)責(zé)裝載、執(zhí)行字節(jié)碼和支持Java語(yǔ)言。下面所說(shuō)的JCVM主要是指卡內(nèi)虛擬機(jī)部分。Java卡應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)和其他Java應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)在最初階段基本相同，開(kāi)發(fā)者編寫若干Java類源代碼，利用Java編譯器編譯成類文。然后，將相應(yīng)的類文件用Java卡轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成為CAP文件，CAP文件相比起類文件更加緊湊、短小，將其下載到卡內(nèi)虛擬機(jī)?？▋?nèi)虛擬機(jī)執(zhí)行CAP文件中的代碼，完成應(yīng)用的安裝，使應(yīng)用處于能夠被卡內(nèi)虛擬機(jī)執(zhí)行的狀態(tài)。
　　對(duì)于JCVM的載體，Java卡的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
　　
　　Java卡系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成：COS和本地方法層、JCRE、Java卡應(yīng)用程序。其中，JCRE包括JCVM、Java Card API和企業(yè)添加類。
　　在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1中，位于最下層的COS和本地方法層主要用于對(duì)智能卡的硬件進(jìn)行管理和操作。JCRE是Java卡的核心部分，主要工作是維護(hù)Java卡系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的環(huán)境，同時(shí)也負(fù)責(zé)應(yīng)用的執(zhí)行和安全。JCVM是完成Java程序字節(jié)碼解析和執(zhí)行的主要部分。最上面的是Java卡應(yīng)用程序。Java卡允許一卡多用的存在，當(dāng)卡中有多個(gè)應(yīng)用時(shí)，應(yīng)用需要通過(guò)被選擇，才能處于工作狀態(tài)，其程序字節(jié)碼才能通過(guò)JCVM進(jìn)行解析和執(zhí)行。
　　從圖1所示可以明確得到JCVM在Java卡內(nèi)所處的層次關(guān)系。JCVM本身是JCRE的一部分。JCVM通過(guò)調(diào)用COS提供的命令和一些本地方法，控制硬件的運(yùn)算、存儲(chǔ)等操作。JCVM被各個(gè)Applet通過(guò)企業(yè)添加類和API調(diào)用，執(zhí)行應(yīng)用程序的字節(jié)碼。
　　2 JCVM實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)
　　對(duì)于JCVM棧與幀結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，主要難點(diǎn)可以歸結(jié)為以下幾點(diǎn)：
　?。?）智能卡因?yàn)槠涫艿酱鎯?chǔ)空間的限制，需要一套科學(xué)有效的管理和利用方案，以保證存儲(chǔ)空間的高效使用。
　　（2）JCVM中棧與幀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要做到既能高效地利用有限的空間，同時(shí)又能保證Java應(yīng)用程序正常執(zhí)行。
　?。?）在棧中，如何實(shí)現(xiàn)幀的創(chuàng)建和銷毀，這并非只是簡(jiǎn)單地申請(qǐng)空間或釋放空間的操作，而且還包括整個(gè)程序執(zhí)行過(guò)程的相關(guān)動(dòng)態(tài)鏈接、全局控制等數(shù)據(jù)的處理。
　?。?）如何符合規(guī)范地進(jìn)行幀內(nèi)部數(shù)據(jù)的處理。
　　下面將就這些實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)進(jìn)行分析，提出設(shè)計(jì)思路和解決方案。