CN102073544B - 一种基于页操作的EEPROM cache方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于提高Java卡虚拟机性能的EEPROM cache方法。克服Java卡的多应用性与频繁写EEPROM而导致性能低下的矛盾，采用整页事务机制，将一个交易流程内的多次写EEPROM的过程，尽量合并到一次或是几次大的事务中来，进行页内一次性提交到EEPROM中，从而取代了传统的小单元的事务操作，这种方法节约EEPROM使用成本，提高Java卡的实际性能。

Description

一种基于页操作的EEPROM cache方法

技术领域

本发明属于java卡领域，具体涉及到一种基于页操作的EEPROM cache方法，在applet运行过程中，可以减少写EEPROM的次数，以此来提高Java卡的性能。

背景技术

Java卡是Java平台中最小的成员，其设定的执行环境为智能卡上的芯片或是有严格硬件限制的环境。Java卡的问世，一方面是为了推展Java的应用层次，一方面也是为了将Java平台的特性以及Java的好处带到智能卡上，由于在java卡之上开发应用的平台无关性和安全性，Java卡已经被用于金融和通讯等多个领域中。

从卡片软件体系结构上，我们可以将Java卡分为以下几个模块：GPAPI、Java卡API、JCVM、kernel和hal五个功能模块：

GP API：Global Platform API，用来实现Global Platform的API接口功能；

Java卡API：用来实现供Java卡applet调用的应用接口；

JCVM：实现Java卡解释器，完成JCRE功能；

Kernel：实现硬件抽象层的接口，用于连接底层与上层的通讯、写EEPROM等操作；

Hal：提供硬件接口；

在java卡之上开发应用虽然方便，但是与传统智能卡比较而言，性能是它最大的瓶颈，如果提高applet的执行性能，特别是交易过程中的性能，是我们需要研究的重点。

EEPROM cache模块能使交易流程中多次更新EEPROM操作，最大程度的统一到极少的操作次数，能有效的提供交易流程的性能。

Java卡体系JCRE、VM和API都是存储为Code段，放在ROM中的，ram仅仅是作为临时变量存储区。Java卡堆栈是在ram中申请，立即数、方法参数和局部变量都存储在Java卡堆栈中，persistent data如applet class、applet instance和其它的持久对象都存储在EEPROM中，见附图1中描述卡中三种类型的memory存储。

EEPROM提供了与RAM相同的读写模式，但是EEPROM的更新却比RAM的更新要慢1000倍，而且EEPROM存在寿命上面的限制，如下表所示。

Memory类型	write/erase次数	写一个单元需要的时间
			RAM	无限制	70ns
EEPROM	10,000-1,000,000	310ms

对于传统的Java卡，applet流程中的每一次对对象域、数组域(非暂态)的赋值操作，都会写一次EEPROM，而且为了保证原子性，每一次都会启动一次事务，并且进行提交。这种做法，在对于对象的频繁赋值中，性能会下降的很厉害，而且频繁的启动事务，对EEPROM的寿命也会大打折扣，如图3。

发明内容

为了克服对EEPROM频繁操作而使得Java卡性能低下的矛盾，本发明提出了一种基于页操作的EEPROM cache方法，将对象的多次赋值操作，在页内进行cache，先放到缓冲区保存，然后在整个流程完成后，进行一次统一的提交，这样既能提高Java卡的应用性能，又能节约EEPROM的使用寿命。

本发明的技术方案是：

一种基于页操作的EEPROM缓冲(cache)方法，包括如下步骤：

(1)写EEPROM，对对象域进行更新操作(这里只包含对对象的访问)：

putfield_x由原来的直接原子写，修改为现在的更新到RAM中的cache缓冲区中，整个过程结束后，一次性提交到EEPROM中。具体为：

(1.1)如果缓存缓冲区为空，直接将对象域数据所在页拷贝到用于cache的缓存缓冲区。

(1.2)如果cache中有数据，判断所写对象域数据是否和已经缓存在cache中的数据在同一页中，如果是，直接在cache中更新数据，否则进入步骤(2)。

(2.3)判断是否有空闲的cache块，如果没有，提交上述已经缓存在cache中的数据，然后进入步骤(1.1)；如果有，进入步骤(1.1)。

(2)提交cache：

如果虚拟机运行发生异常，直接清空cache数据；如果正常结束，提交cache到目的EEPROM(在发送数据前提交cache)。

(3)读EEPROM(这里只包含对对象的访问)：

首先根据目的EEPROM地址判断该地址是否在cache中，如果在，从cache中读取该数据，如果不在，则从EEPROM中读取。

本发明的有益效果是：

显著的提高了Java卡虚拟机的运行速度，并且增加的EEPROM的使用寿命。

本发明采用整页事务机制，将一个交易流程内的多次写EEPROM的过程，尽量合并到一次或是几次大的事务中来，进行页内一次性提交到EEPROM中，从而取代了传统的小单元的事务操作，这种方法节约EEPROM使用成本，提高Java卡的实际性能。

该方法可以在一定程度上将多次写EEPROM的过程压缩成一次。具有提高应用交易性能和节约EEPROM寿命的特点。

对于applet访问对象，绝大多数情况对应的是访问EEPROM的内容(如附图2)，对于Java卡applet运行时，我们将多次更新EEPROM的过程进行了优化，以期望达到更新EEPROM次数达到最少的效果。

附图说明

图1为applet语句与字节码之间的对应关系示意图。

图2为java语言与实际字节码的隐射示意图。

图3为传统Java卡赋值操作示意图。

图4为基于页操作的cache机制赋值操作示意图。

具体实施方式

下面参照附图，将详细叙述本发明的具体实施方式。

研究发现，虚拟机的一个apdu的Process过程，并没有在处理开始就启动一个全局的事务，流程的完整性，是需要用户调用JCSystem的启动事务接口来启动的，而对于对象域、数据域的赋值，都是原子写的过程，这就导致了很多局部的原子事务操作，而且对象的赋值操作，局部性比较明显。

图4中显示了Java卡在进行array数组赋值中的更新流程，对于每一次赋值过程，新流程并没有马上更新到相应的EEPROM中，而是先将要更新的数据cache到缓冲区中，等到整个流程结束，然后把cache中的数据一次性的更新到目的EEPROM中，通过图3和图4的对比，我们可以看出，对于同一页的多次更新，新流程可以缩减为一次，这样可以极大的提高Java卡的性能(写EEPROM的时间所占比重比较大)。

具体设计如下：

将getfield_X字节码访问EEPROM对象，由原来的直接读取EEPROM内容，修改为cache读EEPROM内容；

将_aaload、_baload、_saload、_iaload字节码访问EEPROM对象，由原来的直接读取EEPROM内容，修改为cache读EEPROM内容；

将_putfield_a、_putfield_a_w、_putfield_a_this、_putfield_b、_putfield_b_w、_putfield_b_this、_putfield_s、_putfield_s_w、_putfield_s_this、_putfield_i、_putfield_i_w、_putfield_i_this字节码更新EEPROM对象，由原来的直接更新EEPROM内容，修改为cache更新EEPROM内容；

将_aastore、_bastore、_sastore、_iastore字节码更新EEPROM对象，由原来的直接更新EEPROM内容，修改为cache更新EEPROM内容；

Cache数据结构包括cache数据所在页地址、实际更新数据的页内起始偏移、实际更新数据的页内最终偏移。提交数据的时候，只需要提交页内起始偏移到页内最终偏移之间的数据，这样可以保证写备份区数据很大概率不会超过一页，而写目的数据终于只在一个页内操作，不会出现跨页的情形。

当用户主动提交事务、发送数据给用户的时候，要确保cache数据已经提交，以保证原子性。

注：对于字节码的意义，见Java Card 2.2 Virtual Machine Specification涉及到写EEPROM的具体实例：

非Transient对象的赋值操作，都会涉及到对EEPROM的写操作，比如：

byte array[]＝new byte[256]；

array[0]＝(byte)0xA5；

array[1]＝(byte)0x5A；

…

这里的array就是存储到EEPROM的一个对象，对它的成员进行赋值，也都发生在EEPROM上，对应的字节码如下：

sspush            256

newarray

astore_3

aload_3

sconst_0

bspush            xa5

bastore

aload_3

sconst_1

bspush            x5a

bastore

基于页操作的cache机制，会将对对象成员的赋值操作，bastore采用EEPROM cache的接口，首先保存到RAM中，然后等所有赋值都完成，进行一次性提交，同一页的数据，只需要提交一次，由此我们可以看出，对于一般对象的频繁赋值，采用基于页操作的EEPROM cache机制，可以显著提高Java卡的性能。

Claims (3)

1.一种基于页操作的EEPROM缓冲方法，将对对象的访问和更新操作以页为单位进行缓冲处理，然后进行一次统一的提交，该方法具体包括读EEPROM的步骤和写EEPROM的步骤；其中，

所述写EEPROM的步骤具体为：

（1）如果cache缓冲区为空，直接将对象数据所在页缓冲到cache缓冲区；

（2）如果cache缓冲区中有数据，判断所写数据是否和已经缓冲的数据在同一页中，如果是，直接在cache缓冲区中更新数据，否则提交cache缓冲区中的数据；

（3）判断是否有空闲的cache缓冲区块，如果没有，提交cache缓冲区中的数据；

所述读EEPROM的步骤具体为：

首先根据目的EEPROM地址判断该地址是否在cache缓冲区中，如果在，从该cache缓冲区中读取数据；如果不在，则直接从目的EEPROM中读取。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述提交cache缓冲区中的数据具体过程为：如果发生异常，直接清空cache缓冲区中的数据；否则，提交cache缓冲区中的数据到目的EEPROM。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述cache缓冲区中的数据结构包括数据所在页地址、实际更新数据的页内起始偏移、实际更新数据的页内最终偏移。

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