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智能卡控制器IP核的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

文章出處:http://srpd123.com 作者: 人氣: 發(fā)表時(shí)間:2012年03月07日

[文章內(nèi)容簡(jiǎn)介]:本文介紹了一款兼容ISO7816-3協(xié)議的智能卡控制器IP核。該IP核能實(shí)現(xiàn)對(duì)智能卡的探測(cè)、電源管理、復(fù)位和讀寫控制等功能。文章側(cè)重于介紹智能卡控制器采用Verilog語言實(shí)現(xiàn)數(shù)字邏輯的方法。

    摘要:本文介紹了一款兼容ISO7816-3協(xié)議的智能卡控制器IP核。該IP核能實(shí)現(xiàn)對(duì)智能卡的探測(cè)、電源管理、復(fù)位和讀寫控制等功能。文章側(cè)重于介紹智能卡控制器采用Verilog語言實(shí)現(xiàn)數(shù)字邏輯的方法。
    關(guān)鍵詞:ASIC;ISO7816;智能卡;IP核;Verilog 語言

    1、引言

    隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展,越來越多的地方要求對(duì)用戶身份的識(shí)別以及重要數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)。而智能卡(SmartCard)又稱集成電路卡(Integrated Circuit Card 即IC卡),是具有高的可靠性安全性和靈活性的數(shù)據(jù)承載設(shè)備,現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于政府、金融、電信、交通及公共事業(yè)等領(lǐng)域。

    智能卡控制器是連接智能卡和主控設(shè)備的橋梁,由于智能卡的應(yīng)用不斷增加,越來越多的SOC芯片內(nèi)嵌了智能卡控制器IP核。這種基于IP核的設(shè)計(jì)方式已成為IC設(shè)計(jì)的主流,這里主要介紹智能卡控制器IP核的數(shù)字邏輯實(shí)現(xiàn)方法以及其在硬盤加密芯片中的應(yīng)用。

    2、協(xié)議簡(jiǎn)介

    這里僅對(duì)本文中要用到的部分協(xié)議內(nèi)容作簡(jiǎn)要說明,詳細(xì)的協(xié)議內(nèi)容請(qǐng)見參考文獻(xiàn)1。

    智能卡共有八個(gè)觸點(diǎn),其中有用的就C1、C2、C3、C5、C6、和C7六個(gè)觸點(diǎn),具體見下表:

智能卡觸點(diǎn)

表1:智能卡觸點(diǎn)

    智能卡控制器是通過智能卡觸點(diǎn)C7(I/O)與控制器進(jìn)行半雙工串行通信的,在每一時(shí)刻觸點(diǎn)C7只有狀態(tài)Z和狀態(tài)A兩種狀態(tài)。

    智能卡要傳輸一個(gè)字節(jié)(8個(gè)Bit)數(shù)據(jù)的要11個(gè)Bit位的時(shí)間寬度,在下表中被記成t1到t11。其中第一個(gè)時(shí)刻t1傳輸?shù)腟tart位被稱為起始位;第二到第九個(gè)時(shí)刻,即時(shí)刻t2到時(shí)刻t9,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)ba到bh為一個(gè)字節(jié)的八個(gè)位;時(shí)刻t10傳送的pi位為奇偶校驗(yàn)位;最后一個(gè)時(shí)刻t11傳輸?shù)腟top位被稱為停止位,標(biāo)志著一個(gè)字節(jié)(8個(gè)Bit)的數(shù)據(jù)傳輸完成。請(qǐng)見下表:

智能卡串行傳輸數(shù)據(jù)格式

表2:智能卡串行傳輸數(shù)據(jù)格式

    3、微體系結(jié)構(gòu)

    3.1、接口信號(hào)

    該IP核接口主要分為CPU總線接口、中斷信號(hào)和智能卡控制接口,這里主要介紹一下有關(guān)智能卡控制的接口信號(hào),即連接或控制智能卡上有效觸點(diǎn)的信號(hào),它們?yōu)椋?/p>

    1) 智能卡是否存在信號(hào)IC_PRES:用于探測(cè)智能卡座上是否有智能卡存在,當(dāng)有智能卡插入或拔出時(shí),該信號(hào)的電平發(fā)生跳變,本IP核能夠探測(cè)該信號(hào)的電平的變化,并以中斷等方式報(bào)告給CPU;
    2) 智能卡電源控制信號(hào)IC_PWR:用于控制智能卡的電源VCC或VPP(觸點(diǎn)C1或C6),用于打開和關(guān)閉智能卡電源;
    3) 時(shí)鐘信號(hào)IC_CLK:同智能卡觸點(diǎn)C3相連接,用于向智能卡輸入一定頻率的時(shí)鐘信號(hào);
    4) 復(fù)位信號(hào)IC_RST:同智能卡觸點(diǎn)C2相連接,用于向智能卡發(fā)出復(fù)位信號(hào);
    5) 雙向串行數(shù)據(jù)信號(hào)IC_IO:同智能卡觸點(diǎn)C7相連接,用于實(shí)現(xiàn)與智能卡的雙向數(shù)據(jù)通信。

    3.2、模塊和功能

    智能卡控制器核內(nèi)部有發(fā)送和接收模塊(Transmitter and Receiver)、中斷仲裁模塊(Interrupt Arbitrator)、函數(shù)模塊(Function Generator)、時(shí)鐘模塊(Clock Generator)、智能卡接口模塊(Interface Device)和訪問寄存器模塊(Register Access Control)六大模塊,這些模塊之間的關(guān)系見圖1所示:

ISO7816智能卡控制器模塊結(jié)構(gòu)圖

圖1 ISO7816智能卡控制器模塊結(jié)構(gòu)圖

    主要模塊功能及特征描述如下:

    1. 發(fā)送和接收模塊:發(fā)送和接收模塊負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和接收。發(fā)送模塊是將FIFO發(fā)送隊(duì)列中的數(shù)據(jù)按照設(shè)定的格式把并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)幀,并通過發(fā)送端口送出去。接收模塊則監(jiān)視接收端信號(hào),一旦出現(xiàn)有效開始位,就進(jìn)行接收,并實(shí)現(xiàn)將接收到的異步串行數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù),存入FIFO接收隊(duì)列中,同時(shí)檢查數(shù)據(jù)幀格式是否有錯(cuò)。智能卡控制器的幀結(jié)構(gòu)是通過LCR(Line Control Reg)寄存器設(shè)置的,接收和傳送器的狀態(tài)被保存在LSR(Line Status Reg)寄存器中。
    2. 中斷仲裁模塊:當(dāng)任何一種中斷條件被滿足時(shí),并且在中斷使能寄存器(IER, Interrupt Enable Reg)中相應(yīng)位置1,那么智能卡的中斷請(qǐng)求信號(hào)INT被置為有效狀態(tài)。為了減少和外部軟件的交互,智能卡控制器把中斷分為四個(gè)級(jí)別,并且在中斷標(biāo)識(shí)寄存器(IIR, Interrupt ID Reg)中標(biāo)識(shí)這些中斷。四個(gè)級(jí)別的中斷按優(yōu)先級(jí)級(jí)別由高到低的順序排列為:智能卡插拔中斷、接收線路狀態(tài)中斷、接收數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好中斷和傳送擁有寄存器為空中斷;。
    3. 函數(shù)模塊:該模塊產(chǎn)生智能卡的相關(guān)時(shí)序。通過向函數(shù)寄存器(FR, Function Register)相應(yīng)的位置入相關(guān)的參數(shù)來探測(cè)智能卡、管理電源和產(chǎn)生復(fù)位時(shí)序等。
    4. 時(shí)鐘模塊:時(shí)鐘模塊產(chǎn)生相應(yīng)頻率的時(shí)鐘供給智能卡,時(shí)鐘的頻率由CPU總線的時(shí)鐘頻率和寫入時(shí)鐘分頻寄存器(CDR, Clock Divisor Register)的值來決定,關(guān)系表達(dá)式如下:
    fIC_CLK = fCPU /(2 * CDR)
    5. 智能卡接口模塊:該模塊將相關(guān)信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,以便適合于IC智能卡的通信。
    6. 訪問寄存器模塊:當(dāng)智能卡控制器被總線控制器選中時(shí),CPU可通過讀或?qū)懖僮髟L問被地址線選中的寄存器。

    4、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

    這部分將對(duì)本智能卡控制器中主要模塊的數(shù)字邏輯的實(shí)現(xiàn)方法逐一作簡(jiǎn)單說明。

    4.1、數(shù)據(jù)接收模塊

    在設(shè)計(jì)接收模塊的過程中,關(guān)鍵是如何實(shí)現(xiàn)Receiver Shift的邏輯電路,下圖是本智能卡控制器數(shù)據(jù)接收模塊中有關(guān)Receiver Shift邏輯電路的主控狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖:

圖2 接收模塊主控狀機(jī)

    該狀態(tài)機(jī)共有十個(gè)狀態(tài),其中主要狀態(tài)是:狀態(tài)1(REC_START)用來探測(cè)數(shù)據(jù)的起始位Start;狀態(tài)2(REC_BIT)用來接收數(shù)據(jù)ba到bh,組成一個(gè)字節(jié);狀態(tài)3(REC_PARITY)用來接收數(shù)據(jù)的奇偶校驗(yàn)位;狀態(tài)4(REC_STOP)探測(cè)Stop位。

    下面是該狀態(tài)機(jī)控制有關(guān)邏輯讀入數(shù)據(jù)的仿真波形圖:

接收一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的狀態(tài)變換波形圖

圖3 接收一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的狀態(tài)變換波形圖

    4.2、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊

    同樣, 對(duì)于發(fā)送模塊的設(shè)計(jì),主要問題也是如何實(shí)現(xiàn)Transmitter Shift的邏輯電路,下圖是本智能卡控制器數(shù)據(jù)發(fā)送模塊的主控狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖:

發(fā)送模塊主控狀機(jī)

圖4 發(fā)送模塊主控狀機(jī)

    該狀態(tài)機(jī)共有五個(gè)狀態(tài):狀態(tài)1(SEND_START)用來發(fā)送數(shù)據(jù)的起始位Start;狀態(tài)2(SEND_BYTE)用來發(fā)送數(shù)據(jù)ba到bh;狀態(tài)3(SEND_PARITY)用來發(fā)送數(shù)據(jù)的奇偶校驗(yàn)位;狀態(tài)4(SEND_STOP)發(fā)送Stop位,最后狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)入空閑狀態(tài)0(SEND_IDLE)。

    下面是該狀態(tài)機(jī)控制有關(guān)邏輯發(fā)送數(shù)據(jù)的仿真波形圖:

圖5發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的狀態(tài)變換波形圖

    4.3、函數(shù)模塊

    函數(shù)模塊可以在軟件控制下產(chǎn)生激活智能卡和關(guān)閉智能卡所需的相關(guān)時(shí)序。這里簡(jiǎn)單介紹一下本控制器在軟件的支配下,激活智能卡的過程,見下面的波形圖。

激活智能卡時(shí)的波形圖

圖6激活智能卡時(shí)的波形圖

    在該波形圖中,信號(hào)IC_PRES首先變低,表明有智能卡插入。接著智能卡控制器通過IC_PWR打開智能卡的電源。待電源穩(wěn)定后,智能卡控制器通過IC_CLK向智能卡輸出時(shí)鐘信號(hào)。同樣,在時(shí)鐘穩(wěn)定后,智能卡控制器通過IC_RST向智能卡輸出復(fù)位信號(hào)。最后智能卡控制器在數(shù)據(jù)信號(hào)IC_IO上探測(cè)到智能卡復(fù)位應(yīng)答(ATR,Answer to Reset),這樣就完成了智能卡的激活工作。

    5.結(jié)論

    本方案所設(shè)計(jì)的智能卡控制器IP核,采用Verilog HDL語言,以較少的硬件代價(jià),在本公司研發(fā)的硬盤數(shù)據(jù)加密芯片中,成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)智能卡密鑰的讀寫控制,并且該方案具有較強(qiáng)的靈活性,可以方便地移植到其它嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中,具有較高的使用價(jià)值。

    參考文獻(xiàn):
    [1] GB/T 16649.3-1996 識(shí)別卡-帶觸點(diǎn)的集成電路卡-第3部分:電信號(hào)和傳輸協(xié)議[S].
    [2]Donald E, Thomas, Philip R, Moorby. 硬件描述語言Verilog[M] .北京:清華大學(xué)出版社,2002:15-261
    [3]Neil H.E.Weste, David Harris.CMOS超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)[M] .北京:中國(guó)電力出版社,2006:129-506
    [4]沈理.SOC/ASIC設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和測(cè)試方法學(xué)[M] .廣州:中山大學(xué)出版社,2006:31-202

    作者簡(jiǎn)介:蘇州市中科集成電路設(shè)計(jì)中心 章世華 鄒麗麗 董湘麟

本文關(guān)鍵詞:智能卡控制器,IP核,智能卡,ISO7816
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