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CVM中栈与帧的研究和设计解析
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2017-10-29
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近年来，智能卡已经越来越广泛地应用于社会生产、生活的各个领域，相关技术也得到了迅猛发展。Java技术具有安全、简单、即时编译和跨平台的众多优点，将Java技术运用于智能卡的开发领域，已经成为智能卡技术发展的热点。Java卡是一种能运行Java应用程序的智能卡，支持部分Java编程语言，是Java技术和智能卡的一个成功结合。Java卡技术的核心是Java卡虚拟机JCVM（Java Card Virtual Machine）。不同于一般的Java虚拟机，由于受到智能卡存储与处理能力的限制，JCVM的可用资源非常有限。通常JCVM对于内部资源的管理和使用非常严格。
1 JCVM和相关技术简介
由于智能卡的可用资源非常有限，不可能在智能卡内实现JCVM的全部功能，所以，通常将JCVM分为卡外虚拟机和卡内虚拟机两部分。卡外虚拟机可运行于一般的PC或SUN工作站上，主要工作是将由Java语言编写的class文件转换成为字节码形式的CAP文件。而卡内虚拟机在智能卡内部实现，负责装载、执行字节码和支持Java语言。下面所说的JCVM主要是指卡内虚拟机部分。Java卡应用程序的开发和其他Java应用程序的开发在最初阶段基本相同，开发者编写若干Java类源代码，利用Java编译器编译成类文。然后，将相应的类文件用Java卡转换器转换成为CAP文件，CAP文件相比起类文件更加紧凑、短小，将其下载到卡内虚拟机。卡内虚拟机执行CAP文件中的代码，完成应用的安装，使应用处于能够被卡内虚拟机执行的状态。
对于JCVM的载体，Java卡的系统结构如图1所示。
Java卡系统主要由三个部分组成：COS和本地方法层、JCRE、Java卡应用程序。其中，JCRE包括JCVM、Java Card API和企业添加类。
在系统结构图1中，位于最下层的COS和本地方法层主要用于对智能卡的硬件进行管理和操作。JCRE是Java卡的核心部分，主要工作是维护Java卡系统运行时的环境，同时也负责应用的执行和安全。JCVM是完成Java程序字节码解析和执行的主要部分。最上面的是Java卡应用程序。Java卡允许一卡多用的存在，当卡中有多个应用时，应用需要通过被选择，才能处于工作状态，其程序字节码才能通过JCVM进行解析和执行。
从图1所示可以明确得到JCVM在Java卡内所处的层次关系。JCVM本身是JCRE的一部分。JCVM通过调用COS提供的命令和一些本地方法，控制硬件的运算、存储等操作。JCVM被各个Applet通过企业添加类和API调用，执行应用程序的字节码。
2 JCVM实现难点
对于JCVM栈与帧结构的实现，主要难点可以归结为以下几点：
（1）智能卡因为其受到存储空间的限制，需要一套科学有效的管理和利用方案，以保证存储空间的高效使用。
（2）JCVM中栈与帧的结构设计，需要做到既能高效地利用有限的空间，同时又能保证Java应用程序正常执行。
（3）在栈中，如何实现帧的创建和销毁，这并非只是简单地申请空间或释放空间的操作，而且还包括整个程序执行过程的相关动态链接、全局控制等数据的处理。
（4）如何符合规范地进行帧内部数据的处理。
下面将就这些实现难点进行分析，提出设计思路和解决方案。
1 JCVM和相关技术简介
由于智能卡的可用资源非常有限，不可能在智能卡内实现JCVM的全部功能，所以，通常将JCVM分为卡外虚拟机和卡内虚拟机两部分。卡外虚拟机可运行于一般的PC或SUN工作站上，主要工作是将由Java语言编写的class文件转换成为字节码形式的CAP文件。而卡内虚拟机在智能卡内部实现，负责装载、执行字节码和支持Java语言。下面所说的JCVM主要是指卡内虚拟机部分。Java卡应用程序的开发和其他Java应用程序的开发在最初阶段基本相同，开发者编写若干Java类源代码，利用Java编译器编译成类文。然后，将相应的类文件用Java卡转换器转换成为CAP文件，CAP文件相比起类文件更加紧凑、短小，将其下载到卡内虚拟机。卡内虚拟机执行CAP文件中的代码，完成应用的安装，使应用处于能够被卡内虚拟机执行的状态。
对于JCVM的载体，Java卡的系统结构如图1所示。
Java卡系统主要由三个部分组成：COS和本地方法层、JCRE、Java卡应用程序。其中，JCRE包括JCVM、Java Card API和企业添加类。
在系统结构图1中，位于最下层的COS和本地方法层主要用于对智能卡的硬件进行管理和操作。JCRE是Java卡的核心部分，主要工作是维护Java卡系统运行时的环境，同时也负责应用的执行和安全。JCVM是完成Java程序字节码解析和执行的主要部分。最上面的是Java卡应用程序。Java卡允许一卡多用的存在，当卡中有多个应用时，应用需要通过被选择，才能处于工作状态，其程序字节码才能通过JCVM进行解析和执行。
从图1所示可以明确得到JCVM在Java卡内所处的层次关系。JCVM本身是JCRE的一部分。JCVM通过调用COS提供的命令和一些本地方法，控制硬件的运算、存储等操作。JCVM被各个Applet通过企业添加类和API调用，执行应用程序的字节码。
2 JCVM实现难点
对于JCVM栈与帧结构的实现，主要难点可以归结为以下几点：
（1）智能卡因为其受到存储空间的限制，需要一套科学有效的管理和利用方案，以保证存储空间的高效使用。
（2）JCVM中栈与帧的结构设计，需要做到既能高效地利用有限的空间，同时又能保证Java应用程序正常执行。
（3）在栈中，如何实现帧的创建和销毁，这并非只是简单地申请空间或释放空间的操作，而且还包括整个程序执行过程的相关动态链接、全局控制等数据的处理。
（4）如何符合规范地进行帧内部数据的处理。
下面将就这些实现难点进行分析，提出设计思路和解决方案。
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