基于AMBA總線的智能卡控制器設(shè)計

摘要：通過分析ISO/IEC 7816-3傳輸協(xié)議,設(shè)計該符合協(xié)議標準的接觸式智能卡控制器,實現(xiàn)對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)實現(xiàn)。利用EDA工具VCS,Design Compiler對該控制器進行仿真、綜合。設(shè)計采用Altera公司的FPGA進行驗證,并采用SMIC 0.18μm工藝流片成功。在闡述該控制器設(shè)計原理的基礎(chǔ)上,進行模塊劃分和具體設(shè)計,最后給出仿真、綜合和FPGA驗證結(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)域得到廣泛應用。本文通過對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)計方案，通過FPGA驗證并采用SMIC 0.18μm工藝流片成功。

　　2 智能卡控制器工作原理

　　2.1 復位應答

　　當控制器檢測到智能卡插入操作時對智能卡上電，并按照規(guī)范向智能卡發(fā)出冷復位信號，智能卡接收到該信號后向控制器發(fā)送復位響應，提供編碼方式、協(xié)議選擇、時鐘轉(zhuǎn)換因子、波特率調(diào)整因子、額外保護時間和最大工作等待時間等參數(shù)，后續(xù)的會話將按照這些參數(shù)進行。如果冷復位之后控制器沒有收到符合格式的復位響應，控制器就發(fā)出熱復位；如果智能卡對熱復位仍然沒有給出符合格式的復位響應，控制器將結(jié)束會話，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，支持數(shù)據(jù)奇偶校驗。塊傳輸方式以多個字節(jié)組成的塊為發(fā)送單位，發(fā)送連續(xù)的數(shù)據(jù)，不支持塊中單個字節(jié)數(shù)據(jù)的校驗，采用CRC／LRC軟件校驗。

　　2.3 基本時間單元ETU

　　智能卡會話過程中，每個數(shù)據(jù)位占用時間為1個ETU(Elementary Time Unit)，ETU與智能卡的時鐘頻率呈線性關(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)和負次方數(shù)。F和D的值，可以在智能卡的復位響應后根據(jù)響應提供的參數(shù)重新設(shè)定，如果智能卡沒有提供相應的參數(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，數(shù)據(jù)幀由10個數(shù)據(jù)位組成(如圖1所示)，第一個是起始位(Start)，后面跟8 b數(shù)據(jù)位，最后一個是奇偶校驗位。在沒有會話的時候，I／O信號線保持高電平。當出現(xiàn)奇偶校驗錯誤時，控制器會重發(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，請求系統(tǒng)釋放智能卡。

　　在塊傳輸方式時，數(shù)據(jù)幀由1位起始位和8位數(shù)據(jù)位構(gòu)成，沒有校驗位。塊幀由起始域，信息域和終止域構(gòu)成。起始域3個字節(jié)分別為節(jié)點地址、協(xié)議控制和長度；信息域為待發(fā)送的數(shù)據(jù)，終止域為CRC／LRC校驗字節(jié)。

　　3 模塊劃分及硬件實現(xiàn)

　　智能卡控制器包括復位控制模塊，收發(fā)控制模塊，總線接口模塊，讀緩沖器模塊，寫緩沖器模塊，通過APB接口和AMBA總線相連，對外是CLK，RST，和1根雙向的I／O數(shù)據(jù)線(如圖2所示)。

　　實現(xiàn)各模塊功能需設(shè)置如下寄存器(如表1所示)。

　　3.1 復位控制模塊

　　復位控制模塊通過狀態(tài)機的跳變完成對智能卡的復位(如圖3所示)。當智能卡上電后，系統(tǒng)初始處于IDLE狀態(tài)，控制器在使能后按照規(guī)范向智能卡發(fā)出冷復位信號。首先RST復位信號置低400個CLK以上對卡復位，然后進入等待復位響應狀態(tài)。控制器經(jīng)過1 860個CLK后還沒有收到復位響應則可以選擇進入時鐘停止狀態(tài)。當時鐘恢復后，等待700個CLK后重新開始檢測復位響應。當I／O數(shù)據(jù)線上檢測到負跳變，則進入起始位接收狀態(tài)，一個ETU后順次進入數(shù)據(jù)接收，校驗位接收狀態(tài)。最后判斷校驗位正確與否，如果校驗正確就保持I／O線為高等待下一個數(shù)據(jù)的接收；如果出錯，則拉低I／O線1個ETU通知智能卡數(shù)據(jù)出錯，請求重傳，并設(shè)置錯誤次數(shù)計數(shù)器。

　　如果冷復位之后控制器沒有收到符合格式的復位響應，控制器就發(fā)出熱復位，熱復位過程同上。如果熱復位后40 000個時鐘周期內(nèi)，控制器仍未檢測到復位響應，則控制器將結(jié)束會話，并釋放智能卡。

　　3.2 數(shù)據(jù)收發(fā)控制模塊

　　數(shù)據(jù)收發(fā)模塊按照系統(tǒng)對控制寄存器，各時間寄存器和輸出字節(jié)控制寄存器的設(shè)置來工作。與復位模塊一樣，數(shù)據(jù)收發(fā)模塊也是由狀態(tài)機跳變來完成。系統(tǒng)在復位響應完成后進人IDLE狀態(tài)，根據(jù)協(xié)議選擇字節(jié)傳輸方式(如圖4所示)或是塊傳輸方式(如圖5所示)。

　　在字節(jié)傳輸方式下，當系統(tǒng)設(shè)置了輸出字節(jié)控制寄存器后控制器就處于發(fā)送狀態(tài)。首先進入Prepare狀態(tài)，將發(fā)送FIFO中的數(shù)據(jù)放入移位寄存器，并計算出數(shù)據(jù)的奇偶校驗位，為數(shù)據(jù)傳輸做好準備。1個ETU之后進入Start狀態(tài)，拉低I／O數(shù)據(jù)線1個ETU來發(fā)送數(shù)據(jù)起始位。接著進入數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)，將移位寄存器中的數(shù)據(jù)按1 b／ETU的速率串行發(fā)出。然后發(fā)送1 b奇偶校驗位。數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后按照系統(tǒng)設(shè)置的保護時間將I／O線拉高若干個ETU。最后檢測是否已經(jīng)發(fā)出了指定的字節(jié)數(shù)(Trig_num)。如果數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，則跳入IDLE狀態(tài)等待新的發(fā)送設(shè)置或轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)接收；否則進入Prepare狀態(tài)開始下一個字節(jié)的發(fā)送。

　　當系統(tǒng)處于數(shù)據(jù)接收狀態(tài)時，首先進入等待起始位狀態(tài)，在此狀態(tài)設(shè)置超時計數(shù)器判斷卡是否有響應。當I／O線拉低后就進入接收起始位狀態(tài)，在該狀態(tài)的0.5ETU時刻判斷I／O數(shù)據(jù)線是否仍然拉低。如果I／O線跳高則說明是由于I／O線抖動造成的起始位誤判，狀態(tài)跳回等待起始狀態(tài)；如果I／O線仍然為低，則起始位接收成功，并在0.5個ETU后進入數(shù)據(jù)接收狀態(tài)。8 b數(shù)據(jù)按照1 b／ETU的速率接收，完成后轉(zhuǎn)入接收校驗位狀態(tài)。硬件根據(jù)接收的8 b數(shù)據(jù)計算出校驗位并與收到校驗位比較，如果不同則I／O線拉低告知智能卡數(shù)據(jù)錯誤請求重發(fā)，相同則進入IDLE狀態(tài)等待接收下一個數(shù)據(jù)或是進入發(fā)送狀態(tài)。

　　塊傳輸(如圖5所示)的接收過程和字符傳輸類似，按照起始位、8 b數(shù)據(jù)位的狀態(tài)機接收數(shù)據(jù)。一個字節(jié)接收完畢后返回IDLE，當沒有發(fā)送任務時就進入下一次起始位等待。一個字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后有若干個ETU的保護時間，然后進入Prepare狀態(tài)準備發(fā)送下一個字節(jié)數(shù)據(jù)。當所有數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，系統(tǒng)維持一個塊保護時間BGT(Block Guard Time)，然后進入IDLE等待新任務。

　　3.3 讀寫數(shù)據(jù)緩沖器模塊

　　由于APB總線上連接多個功能模塊，如USB，UART等都需要占用總線進行數(shù)據(jù)傳輸，智能卡控制器只能通過發(fā)出總線請求在有限時間占有總線。這使得在進行智能卡讀寫操作時會申請不到總線從而來不及存儲已收到的數(shù)據(jù)或者來不及獲取新的發(fā)送數(shù)據(jù)，增加讀寫數(shù)據(jù)緩沖器實現(xiàn)數(shù)據(jù)暫存可以很好地解決這個問題。緩沖器采用寬度為8位，深度為16的同步FIFO。該FIFO通過在最高位額外設(shè)置1 b來判斷空／滿標志位。當讀寫指針的8 b數(shù)據(jù)位和1 b最高位都相同時，F(xiàn)IFO為空。當讀寫指針的8 b數(shù)據(jù)位相同并且1 b最高位相反時，F(xiàn)IFO為滿。根據(jù)FIFO的空滿狀態(tài)來請求或停止新的數(shù)據(jù)。

　　3.4 APB總線接口模塊

　　ARM內(nèi)核通過APB總線讀寫智能卡控制器，完成了對寄存器的設(shè)置、中斷狀態(tài)的讀取以及收發(fā)數(shù)據(jù)的讀寫，讀寫時序需要符合AMBA APB總線協(xié)議。

　　系統(tǒng)通過總線接口模塊設(shè)置了控制器工作頻率，傳輸方式、編碼方式、時鐘轉(zhuǎn)換因子、波特率調(diào)整因子。當解析出智能卡為異步半雙工字符傳輸模式時，設(shè)置字符發(fā)送完畢后的保護時間和最大等待時間。當解析出智能卡為異步半雙工塊傳輸模式時，設(shè)置塊之問保護時間，最大等待之間，以及塊內(nèi)字符間的最大等待時間。系統(tǒng)按照上述設(shè)置工作。

　　系統(tǒng)在設(shè)定的參數(shù)下完成對接收FIFO的讀取和對發(fā)送FIFO的寫人，并且發(fā)出讀寫使能信號控制FIFO讀寫。

　　在收發(fā)控制模塊產(chǎn)生中斷后，對中斷狀態(tài)寄存器設(shè)置并交由軟件處理。

　　4 仿真結(jié)果及FPGA驗證

　　智能卡控制器采用RTL級的Verilog實現(xiàn)，在系統(tǒng)仿真過程中編寫智能卡仿真模型。使用Synopsys公司VCS對控制器進行功能仿真和驗證。對智能卡的數(shù)據(jù)收發(fā)波形如圖6所示。

　　從仿真結(jié)果可以看出，智能卡控制器符合ISO7816-3協(xié)議，可以對智能卡進行復位及讀寫操作。

　　在FPGA驗證中，采用Altera公司的StratixⅡ芯片。將智能卡控制器、AMBA總線等模塊的RTL代碼燒錄到ARM開發(fā)板的FPGA中，并且將外接一塊帶有智能卡插槽的擴展板與ARM開發(fā)板連接。使用ARM的調(diào)試軟件ARMulator對控制器進行功能測試。測試結(jié)果表明該控制器可以成功完成對智能卡的復位和數(shù)據(jù)讀寫操作。

　　5 結(jié) 語

　　根據(jù)上述VCS仿真和FPGA驗證的結(jié)果，說明該智能卡控制器已經(jīng)達到功能要求，實現(xiàn)了ISO／IEC7816-3傳輸協(xié)議。利用Design Compiler對該模塊進行綜合并編寫腳本對芯片的面積和時序進行優(yōu)化，最終邏輯單元為1 368 cells，符合設(shè)計目標，實現(xiàn)了對智能卡的數(shù)據(jù)復位及收發(fā)操作。