资料介绍
摘要:通过分析ISO/IEC 7816-3传输协议,设计该符合协议标准的接触式智能卡控制器,实现对字符传输和块传输这两种不同传输方式的智能卡的支持。该控制器集成于基于AMBA总线的Garfield系列芯片SEP4020中,采用硬件描述语言(verilog)实现。利用EDA工具VCS,Design Compiler对该控制器进行仿真、综合。设计采用Altera公司的FPGA进行验证,并采用SMIC 0.18μm工艺流片成功。在阐述该控制器设计原理的基础上,进行模块划分和具体设计,最后给出仿真、综合和FPGA验证结果。
智能卡(SMART card)通常指一张给定大小的塑料卡片,上面封装了集成电路芯片,用于存储和处理数据。随着嵌入式设备的普及,智能卡在金融、电信、单位考勤、公共事业、交通、医疗等领域得到广泛应用。本文通过对ISO/IEC 7816-3传输协议的分析,基于AMBA总线架构,提出一款智能卡设计方案,通过FPGA验证并采用SMIC 0.18μm工艺流片成功。
2 智能卡控制器工作原理
2.1 复位应答
当控制器检测到智能卡插入操作时对智能卡上电,并按照规范向智能卡发出冷复位信号,智能卡接收到该信号后向控制器发送复位响应,提供编码方式、协议选择、时钟转换因子、波特率调整因子、额外保护时间和最大工作等待时间等参数,后续的会话将按照这些参数进行。如果冷复位之后控制器没有收到符合格式的复位响应,控制器就发出热复位;如果智能卡对热复位仍然没有给出符合格式的复位响应,控制器将结束会话,并释放智能卡。
2.2 传输协议
智能卡控制器有字符传输方式(character transmission)和块传输方式(block transmission)两种传输协议。在字符传输方式中数据以字节单位发送,支持数据奇偶校验。块传输方式以多个字节组成的块为发送单位,发送连续的数据,不支持块中单个字节数据的校验,采用CRC/LRC软件校验。
2.3 基本时间单元ETU
智能卡会话过程中,每个数据位占用时间为1个ETU(Elementary Time Unit),ETU与智能卡的时钟频率呈线性关系:ETU=F/(D×f)。其中,f为控制器工作频率;F是时钟转换因子;D是波特率调整因子,支持2的次方数和负次方数。F和D的值,可以在智能卡的复位响应后根据响应提供的参数重新设定,如果智能卡没有提供相应的参数,将使用缺省值(F=372,D=1)。
2.4 数据帧
在字符传输方式时,数据帧由10个数据位组成(如图1所示),第一个是起始位(Start),后面跟8 b数据位,最后一个是奇偶校验位。在没有会话的时候,I/O信号线保持高电平。当出现奇偶校验错误时,控制器会重发数据,最多重发4次,如果连续5次都发送不成功,控制器发出中断,请求系统释放智能卡。
在块传输方式时,数据帧由1位起始位和8位数据位构成,没有校验位。块帧由起始域,信息域和终止域构成。起始域3个字节分别为节点地址、协议控制和长度;信息域为待发送的数据,终止域为CRC/LRC校验字节。
3 模块划分及硬件实现
智能卡控制器包括复位控制模块,收发控制模块,总线接口模块,读缓冲器模块,写缓冲器模块,通过APB接口和AMBA总线相连,对外是CLK,RST,和1根双向的I/O数据线(如图2所示)。
实现各模块功能需设置如下寄存器(如表1所示)。
智能卡(SMART card)通常指一张给定大小的塑料卡片,上面封装了集成电路芯片,用于存储和处理数据。随着嵌入式设备的普及,智能卡在金融、电信、单位考勤、公共事业、交通、医疗等领域得到广泛应用。本文通过对ISO/IEC 7816-3传输协议的分析,基于AMBA总线架构,提出一款智能卡设计方案,通过FPGA验证并采用SMIC 0.18μm工艺流片成功。
2 智能卡控制器工作原理
2.1 复位应答
当控制器检测到智能卡插入操作时对智能卡上电,并按照规范向智能卡发出冷复位信号,智能卡接收到该信号后向控制器发送复位响应,提供编码方式、协议选择、时钟转换因子、波特率调整因子、额外保护时间和最大工作等待时间等参数,后续的会话将按照这些参数进行。如果冷复位之后控制器没有收到符合格式的复位响应,控制器就发出热复位;如果智能卡对热复位仍然没有给出符合格式的复位响应,控制器将结束会话,并释放智能卡。
2.2 传输协议
智能卡控制器有字符传输方式(character transmission)和块传输方式(block transmission)两种传输协议。在字符传输方式中数据以字节单位发送,支持数据奇偶校验。块传输方式以多个字节组成的块为发送单位,发送连续的数据,不支持块中单个字节数据的校验,采用CRC/LRC软件校验。
2.3 基本时间单元ETU
智能卡会话过程中,每个数据位占用时间为1个ETU(Elementary Time Unit),ETU与智能卡的时钟频率呈线性关系:ETU=F/(D×f)。其中,f为控制器工作频率;F是时钟转换因子;D是波特率调整因子,支持2的次方数和负次方数。F和D的值,可以在智能卡的复位响应后根据响应提供的参数重新设定,如果智能卡没有提供相应的参数,将使用缺省值(F=372,D=1)。
2.4 数据帧
在字符传输方式时,数据帧由10个数据位组成(如图1所示),第一个是起始位(Start),后面跟8 b数据位,最后一个是奇偶校验位。在没有会话的时候,I/O信号线保持高电平。当出现奇偶校验错误时,控制器会重发数据,最多重发4次,如果连续5次都发送不成功,控制器发出中断,请求系统释放智能卡。
在块传输方式时,数据帧由1位起始位和8位数据位构成,没有校验位。块帧由起始域,信息域和终止域构成。起始域3个字节分别为节点地址、协议控制和长度;信息域为待发送的数据,终止域为CRC/LRC校验字节。
3 模块划分及硬件实现
智能卡控制器包括复位控制模块,收发控制模块,总线接口模块,读缓冲器模块,写缓冲器模块,通过APB接口和AMBA总线相连,对外是CLK,RST,和1根双向的I/O数据线(如图2所示)。
实现各模块功能需设置如下寄存器(如表1所示)。
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