基于AMBA總線的智能卡控制器設(shè)計(jì)

　摘要：通過分析ISO/IEC 7816-3傳輸協(xié)議,設(shè)計(jì)該符合協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的接觸式智能卡控制器,實(shí)現(xiàn)對(duì)字符傳輸和塊傳輸這兩種不同傳輸方式的智能卡的支持。該控制器集成于基于AMBA總線的Garfield系列芯片SEP4020中,采用硬件描述語言(verilog)實(shí)現(xiàn)。利用EDA工具VCS,Design Compiler對(duì)該控制器進(jìn)行仿真、綜合。設(shè)計(jì)采用Altera公司的FPGA進(jìn)行驗(yàn)證,并采用SMIC 0.18μm工藝流片成功。在闡述該控制器設(shè)計(jì)原理的基礎(chǔ)上,進(jìn)行模塊劃分和具體設(shè)計(jì),最后給出仿真、綜合和FPGA驗(yàn)證結(jié)果。

　　智能卡(SMART card)通常指一張給定大小的塑料卡片，上面封裝了集成電路芯片，用于存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)。隨著嵌入式設(shè)備的普及，智能卡在金融、電信、單位考勤、公共事業(yè)、交通、醫(yī)療等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文通過對(duì)ISO／IEC 7816-3傳輸協(xié)議的分析，基于AMBA總線架構(gòu)，提出一款智能卡設(shè)計(jì)方案，通過FPGA驗(yàn)證并采用SMIC 0.18μm工藝流片成功。

　　2 智能卡控制器工作原理

　　2.1 復(fù)位應(yīng)答

　　當(dāng)控制器檢測(cè)到智能卡插入操作時(shí)對(duì)智能卡上電，并按照規(guī)范向智能卡發(fā)出冷復(fù)位信號(hào)，智能卡接收到該信號(hào)后向控制器發(fā)送復(fù)位響應(yīng)，提供編碼方式、協(xié)議選擇、時(shí)鐘轉(zhuǎn)換因子、波特率調(diào)整因子、額外保護(hù)時(shí)間和最大工作等待時(shí)間等參數(shù)，后續(xù)的會(huì)話將按照這些參數(shù)進(jìn)行。如果冷復(fù)位之后控制器沒有收到符合格式的復(fù)位響應(yīng)，控制器就發(fā)出熱復(fù)位；如果智能卡對(duì)熱復(fù)位仍然沒有給出符合格式的復(fù)位響應(yīng)，控制器將結(jié)束會(huì)話，并釋放智能卡。

　　2.2 傳輸協(xié)議

　　智能卡控制器有字符傳輸方式(character transmission)和塊傳輸方式(block transmission)兩種傳輸協(xié)議。在字符傳輸方式中數(shù)據(jù)以字節(jié)單位發(fā)送，支持?jǐn)?shù)據(jù)奇偶校驗(yàn)。塊傳輸方式以多個(gè)字節(jié)組成的塊為發(fā)送單位，發(fā)送連續(xù)的數(shù)據(jù)，不支持塊中單個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的校驗(yàn)，采用CRC／LRC軟件校驗(yàn)。

　　2.3 基本時(shí)間單元ETU

　　智能卡會(huì)話過程中，每個(gè)數(shù)據(jù)位占用時(shí)間為1個(gè)ETU(Elementary Time Unit)，ETU與智能卡的時(shí)鐘頻率呈線性關(guān)系：ETU=F／(D×f)。其中，f為控制器工作頻率；F是時(shí)鐘轉(zhuǎn)換因子；D是波特率調(diào)整因子，支持2的次方數(shù)和負(fù)次方數(shù)。F和D的值，可以在智能卡的復(fù)位響應(yīng)后根據(jù)響應(yīng)提供的參數(shù)重新設(shè)定，如果智能卡沒有提供相應(yīng)的參數(shù)，將使用缺省值(F=372，D=1)。

　　2.4 數(shù)據(jù)幀

　　在字符傳輸方式時(shí)，數(shù)據(jù)幀由10個(gè)數(shù)據(jù)位組成(如圖1所示)，第一個(gè)是起始位(Start)，后面跟8 b數(shù)據(jù)位，最后一個(gè)是奇偶校驗(yàn)位。在沒有會(huì)話的時(shí)候，I／O信號(hào)線保持高電平。當(dāng)出現(xiàn)奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤時(shí)，控制器會(huì)重發(fā)數(shù)據(jù)，最多重發(fā)4次，如果連續(xù)5次都發(fā)送不成功，控制器發(fā)出中斷，請(qǐng)求系統(tǒng)釋放智能卡。

　　在塊傳輸方式時(shí)，數(shù)據(jù)幀由1位起始位和8位數(shù)據(jù)位構(gòu)成，沒有校驗(yàn)位。塊幀由起始域，信息域和終止域構(gòu)成。起始域3個(gè)字節(jié)分別為節(jié)點(diǎn)地址、協(xié)議控制和長(zhǎng)度；信息域?yàn)榇l(fā)送的數(shù)據(jù)，終止域?yàn)镃RC／LRC校驗(yàn)字節(jié)。