基于ISO7816-3標(biāo)準(zhǔn)的智能卡接口控制器的設(shè)計(jì)

文章出處：http://botanicstilllife.com 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(shí)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(jì)算機(jī)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(duì)龐大的市場(chǎng)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(shí)用的智能卡接口控制器的設(shè)計(jì)方案。

控制器工作原理

● 控制器的結(jié)構(gòu)
---本方案的設(shè)計(jì)過程遵循集成電路設(shè)計(jì)的一般流程，采用自上而下的模塊化設(shè)計(jì)方法。該控制器由七個(gè)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(shí)模塊(TM)、時(shí)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(shí)鐘、雙向數(shù)據(jù)線、卡存在輸入信號(hào)、卡電源控制信號(hào)和輸出給卡的復(fù)位信號(hào)。本控制器同主控器(如CPU)的接口信號(hào)有：主時(shí)鐘輸入CLK、地址信號(hào)A、雙向并行數(shù)據(jù)線D、片選輸入信號(hào)CS、寫控制信號(hào)WR、讀控制信號(hào)RD、主復(fù)位信號(hào)RST和中斷輸出信號(hào)INT。

● 內(nèi)部寄存器
---通常，用戶程序要通過對(duì)卡接口控制器寄存器的讀寫操作，才能實(shí)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(jì)方案的可行性和將來實(shí)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(duì)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(gè)總開關(guān)，用來使能或關(guān)閉整個(gè)控制器。當(dāng)用戶系統(tǒng)暫時(shí)不需要用到卡控制器時(shí)，可以設(shè)置EN＝0，便可關(guān)閉整個(gè)控制器內(nèi)部的所有操作(包括內(nèi)部分頻器的動(dòng)作)，這樣可以減少系統(tǒng)中不必要的功耗。時(shí)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(shí)鐘頻率的目標(biāo)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(diǎn)，若把此卡控制器作為一個(gè)IP用到SoC的設(shè)計(jì)中去，這一特點(diǎn)將顯得尤為重要。

---工作等待時(shí)間整數(shù)值寄存器WWT只對(duì)T=0類卡有效，字符等待時(shí)間整數(shù)值寄存器CWT和塊等待時(shí)間整數(shù)值寄存器BWT只對(duì)T=1類卡有效。本控制器同時(shí)設(shè)置了這三個(gè)寄存器，因此，其既可以和T=0類卡進(jìn)行通信，又可以和T=1類卡進(jìn)行通訊，這樣彌補(bǔ)了目前大多數(shù)的卡接口控制器只能同某一類卡進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)地要求，能夠兼容各類型的IC卡，同時(shí)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(gè)模塊協(xié)同工作對(duì)此命令進(jìn)行解析后，再通過IC卡接口對(duì)卡進(jìn)行相應(yīng)的操作，這樣就完成主控制器對(duì)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(bào)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(diǎn)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(jì)的卡控制器的串行數(shù)據(jù)收發(fā)模塊(RxTxM)負(fù)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(gè)狀態(tài)機(jī)，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖2所示。狀態(tài)機(jī)平時(shí)處于空閑狀態(tài)(idle)，若IOC端口上沒有負(fù)跳變(NoFallingEdge)，狀態(tài)機(jī)便一直處于此狀態(tài)。當(dāng)檢測(cè)到IOC上有負(fù)脈沖(FallingEdge)時(shí)，狀態(tài)機(jī)便進(jìn)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(jī)便返回idle狀態(tài)，否則狀態(tài)機(jī)進(jìn)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(jī)便進(jìn)入接收和校驗(yàn)奇偶的狀態(tài)(parity)。若奇偶校驗(yàn)沒有結(jié)束(Checking)，則繼續(xù)處理，否則狀態(tài)機(jī)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(gè)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(cuò)誤，也會(huì)立即將接收錯(cuò)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(gè)1～2位數(shù)據(jù)寬度的負(fù)脈沖，以請(qǐng)求IC卡重發(fā)剛才的字節(jié)。按照ISO7816標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，這種對(duì)同1字節(jié)的重發(fā)請(qǐng)求最多只發(fā)送3次。因此，若RxTxM在第三次重發(fā)請(qǐng)求之后仍然接收到錯(cuò)誤的字節(jié)，RxTxM立即產(chǎn)生一個(gè)重收次數(shù)超限的狀態(tài)RTO，報(bào)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(shí)，本控制器便會(huì)以串行的方式發(fā)送給IC卡，若發(fā)送成功且沒有檢測(cè)到IC卡的重發(fā)請(qǐng)求，便立即產(chǎn)生一個(gè)發(fā)送成功的狀態(tài)量tr_ok，報(bào)告給狀態(tài)中斷管理模塊；若檢測(cè)到IC卡的重發(fā)請(qǐng)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(qǐng)求，則立即報(bào)告給INTM一個(gè)重收次數(shù)超限的狀態(tài)。

設(shè)計(jì)的仿真及實(shí)現(xiàn)
● 控制器模型的時(shí)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(gè)模塊的RTL模型，并模仿實(shí)際情況，用VHDL編寫了測(cè)試向量testbench，選用外部仿真軟件Modelsim進(jìn)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(shí)的仿真時(shí)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(yàn)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(yàn)結(jié)果為0，滿足ISO 7816

● 設(shè)計(jì)的FPGA實(shí)現(xiàn)
---根據(jù)綜合結(jié)果，目標(biāo)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。