基于ISO7816-3標準的智能卡接口控制器的設(shè)計

文章出處：http://www.fang1.net 作者：華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院 蔣曉華 黃光周 于繼榮   人氣： 發(fā)表時間：2011年09月17日

引言
---智能卡(SmartCard)又稱集成電路卡(Integrated Circuit Card，即IC卡)，將微電子技術(shù)和計算機技術(shù)結(jié)合在一起，具有高的可靠性、安全性和靈活性，其廣泛地應(yīng)用于電信、金融、交通及公共事業(yè)等領(lǐng)域。智能卡接口控制器是連接智能卡和主控設(shè)備的橋梁，是智能卡處理設(shè)備中的最重要組成部分之一。面對龐大的市場需求，各大芯片廠商都推出了各自的智能卡接口控制器芯片，例如，Philips的8007、Linear的LTC1755/6等。本文也提出一種實用的智能卡接口控制器的設(shè)計方案。

控制器工作原理

● 控制器的結(jié)構(gòu)
---本方案的設(shè)計過程遵循集成電路設(shè)計的一般流程，采用自上而下的模塊化設(shè)計方法。該控制器由七個子模塊組成：卡激活復(fù)位模塊(RSTM)、串行數(shù)據(jù)收發(fā)模塊(RxTxM)、狀態(tài)中斷管理模塊(INTM)、定時模塊(TM)、時鐘管理模塊(CLKM)、寄存器地址管理模塊(AM)和主控制器接口(IF)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，CLKC、IOC、PRESC、VDDC和RSTC為控制器同智能卡的接口，分別為輸出給智能卡的時鐘、雙向數(shù)據(jù)線、卡存在輸入信號、卡電源控制信號和輸出給卡的復(fù)位信號。本控制器同主控器(如CPU)的接口信號有：主時鐘輸入CLK、地址信號A、雙向并行數(shù)據(jù)線D、片選輸入信號CS、寫控制信號WR、讀控制信號RD、主復(fù)位信號RST和中斷輸出信號INT。

● 內(nèi)部寄存器
---通常，用戶程序要通過對卡接口控制器寄存器的讀寫操作，才能實現(xiàn)同IC卡的交易，因此，智能卡控制器內(nèi)部寄存器設(shè)置的合理性直接影響到該設(shè)計方案的可行性和將來實際產(chǎn)品使用的便利性。不同的智能卡控制器的寄存器設(shè)置一般不盡相同。同其他的智能卡控制器相比較，本方案所設(shè)置的寄存器數(shù)目相對較多，功能更加全面。表1列出了本控制器的寄存器及其地址分配情況。

---卡控制器使能寄存器EN像個總開關(guān)，用來使能或關(guān)閉整個控制器。當(dāng)用戶系統(tǒng)暫時不需要用到卡控制器時，可以設(shè)置EN＝0，便可關(guān)閉整個控制器內(nèi)部的所有操作(包括內(nèi)部分頻器的動作)，這樣可以減少系統(tǒng)中不必要的功耗。時鐘預(yù)分頻參數(shù)寄存器PRSCL的設(shè)置可以在無需外加分頻器的情況下，使控制器方便地應(yīng)用到高時鐘頻率的目標系統(tǒng)中去。目前其他絕大多數(shù)的卡控制器中都沒有設(shè)置功能與EN和PRSCL相同或者相似的寄存器。因此寄存器EN和PRSCL的設(shè)置是本方案的一大特點，若把此卡控制器作為一個IP用到SoC的設(shè)計中去，這一特點將顯得尤為重要。

---工作等待時間整數(shù)值寄存器WWT只對T=0類卡有效，字符等待時間整數(shù)值寄存器CWT和塊等待時間整數(shù)值寄存器BWT只對T=1類卡有效。本控制器同時設(shè)置了這三個寄存器，因此，其既可以和T=0類卡進行通信，又可以和T=1類卡進行通訊，這樣彌補了目前大多數(shù)的卡接口控制器只能同某一類卡進行通信的弊端。

---如表1所示，本控制器還設(shè)置其他寄存器，比如ETU、TXDB、STMR等，這樣做是為了更全面地滿足ISO7816-3標準地要求，能夠兼容各類型的IC卡，同時使得用戶軟件能夠更方便地干預(yù)同IC卡的交易過程，提高了交易過程的可控性和使用的便利性。

● 卡控制器的工作過程
---主控制器(HOST)通過主控制器接口(IF)向卡控制器發(fā)送命令(即操作卡控制器的寄存器)，卡控制器各個模塊協(xié)同工作對此命令進行解析后，再通過IC卡接口對卡進行相應(yīng)的操作，這樣就完成主控制器對IC卡的一次操作。同樣，從IC卡過來的命令或者狀態(tài)通過卡控制器的處理后，再將相關(guān)信息報告給主控制器?？刂破骶褪沁@樣在IC卡和主控制器之間起著橋梁作用。下面將重點介紹串行數(shù)據(jù)收發(fā)模塊(RxTxM)工作過程。

---本方案所設(shè)計的卡控制器的串行數(shù)據(jù)收發(fā)模塊(RxTxM)負責(zé)接收IC卡發(fā)送過來的串行數(shù)據(jù)和將主控制器的命令以串行的方式發(fā)送給IC卡。其中串行數(shù)據(jù)接收器為一個狀態(tài)機，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖2所示。狀態(tài)機平時處于空閑狀態(tài)(idle)，若IOC端口上沒有負跳變(NoFallingEdge)，狀態(tài)機便一直處于此狀態(tài)。當(dāng)檢測到IOC上有負脈沖(FallingEdge)時，狀態(tài)機便進入接收起始位狀態(tài)(startbit)，若起始位不合法(StartBitInvalid，例如寬度不夠)，狀態(tài)機便返回idle狀態(tài)，否則狀態(tài)機進入到接收數(shù)據(jù)狀態(tài)(data)。若還沒有收滿8位數(shù)據(jù)(CntBit<8)，則繼續(xù)接收，若已經(jīng)收滿了8位數(shù)據(jù)(CntBit=8)，狀態(tài)機便進入接收和校驗奇偶的狀態(tài)(parity)。若奇偶校驗沒有結(jié)束(Checking)，則繼續(xù)處理，否則狀態(tài)機返回idle狀態(tài)，至此控制器完成一次接收過程。

---若成功接收到1字節(jié)，便立即產(chǎn)生一個成功接收狀態(tài)量rcv_ok，提交給狀態(tài)中斷管理模塊(INTM)；若接收的數(shù)據(jù)有錯誤，也會立即將接收錯誤的狀態(tài)rcv_error，提交給INTM，并且在IOC數(shù)據(jù)線上產(chǎn)生一個1～2位數(shù)據(jù)寬度的負脈沖，以請求IC卡重發(fā)剛才的字節(jié)。按照ISO7816標準的規(guī)定，這種對同1字節(jié)的重發(fā)請求最多只發(fā)送3次。因此，若RxTxM在第三次重發(fā)請求之后仍然接收到錯誤的字節(jié)，RxTxM立即產(chǎn)生一個重收次數(shù)超限的狀態(tài)RTO，報告給INTM。

---當(dāng)主控器往本控制器的發(fā)數(shù)寄存器寫入1字節(jié)數(shù)據(jù)時，本控制器便會以串行的方式發(fā)送給IC卡，若發(fā)送成功且沒有檢測到IC卡的重發(fā)請求，便立即產(chǎn)生一個發(fā)送成功的狀態(tài)量tr_ok，報告給狀態(tài)中斷管理模塊；若檢測到IC卡的重發(fā)請求，便重發(fā)剛才的字節(jié)。同樣如果在第三次重發(fā)后仍然收到IC卡的重發(fā)請求，則立即報告給INTM一個重收次數(shù)超限的狀態(tài)。

設(shè)計的仿真及實現(xiàn)
● 控制器模型的時序仿真

---在Xilinx公司的ISE5集成開發(fā)環(huán)境下，用VHDL語言建立各個模塊的RTL模型，并模仿實際情況，用VHDL編寫了測試向量testbench，選用外部仿真軟件Modelsim進行仿真。由于篇幅關(guān)系，這里僅列出控制器接收IC卡發(fā)送過來的串行數(shù)據(jù)時的仿真時序波形，如圖3所示。

---由圖3可以看出，IC卡發(fā)過來的串行數(shù)據(jù)為1001001010(低位在前)，共10位，除去起始位0和校驗位1，8位數(shù)據(jù)為00100101，與數(shù)據(jù)接收寄存器rxbuffer所接收到的內(nèi)容相同，且校驗結(jié)果為0，滿足ISO 7816

● 設(shè)計的FPGA實現(xiàn)
---根據(jù)綜合結(jié)果，目標器件選用Xilinx公司的Spartan2系列的xc2s30tq144-6，其內(nèi)部資源概況在表2中列出。