智能卡控制器IP核的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
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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...
Abstract：
Key words :
1、引言
隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，越來(lái)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(lái)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(shuō)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：
表1：智能卡觸點(diǎn)
智能卡控制器是通過(guò)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：
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?/div>
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(wèn)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：
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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(lái)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(wèn)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(guò)讀或?qū)懖僮髟L問(wèn)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(shuō)明。
4.1、數(shù)據(jù)接收模塊
在設(shè)計(jì)接收模塊的過(guò)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(lái)探測(cè)數(shù)據(jù)的起始位Start；狀態(tài)2(REC_BIT)用來(lái)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(lái)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：
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(wèn)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：
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(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)的起始位Start；狀態(tài)2(SEND_BYTE)用來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)ba到bh；狀態(tài)3(SEND_PARITY)用來(lái)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(guò)程，見下面的波形圖。
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(guò)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(guò)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(guò)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(yǔ)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。
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