基于A(yíng)MBA總線(xiàn)的智能卡控制器設計

　摘要：通過(guò)分析ISO/IEC 7816-3傳輸協(xié)議,設計該符合協(xié)議標準的接觸式智能卡控制器,實(shí)現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(xiàn)的Garfield系列芯片SEP4020中,采用硬件描述語(yǔ)言(verilog)實(shí)現。利用EDA工具VCS,Design Compiler對該控制器進(jìn)行仿真、綜合。設計采用Altera公司的FPGA進(jìn)行驗證,并采用SMIC 0.18μm工藝流片成功。在闡述該控制器設計原理的基礎上,進(jìn)行模塊劃分和具體設計,最后給出仿真、綜合和FPGA驗證結果。

　　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，用于存儲和處理數據。隨著(zhù)嵌入式設備的普及，智能卡在金融、電信、單位考勤、公共事業(yè)、交通、醫療等領(lǐng)域得到廣泛應用。本文通過(guò)對ISO／IEC 7816-3傳輸協(xié)議的分析，基于AMBA總線(xiàn)架構，提出一款智能卡設計方案，通過(guò)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(shí)對智能卡上電，并按照規范向智能卡發(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(shí)鐘轉換因子、波特率調整因子、額外保護時(shí)間和最大工作等待時(shí)間等參數，后續的會(huì )話(huà)將按照這些參數進(jìn)行。如果冷復位之后控制器沒(méi)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(méi)有給出符合格式的復位響應，控制器將結束會(huì )話(huà)，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據以字節單位發(fā)送，支持數據奇偶校驗。塊傳輸方式以多個(gè)字節組成的塊為發(fā)送單位，發(fā)送連續的數據，不支持塊中單個(gè)字節數據的校驗，采用CRC／LRC軟件校驗。

　　2.3 基本時(shí)間單元ETU

　　智能卡會(huì )話(huà)過(guò)程中，每個(gè)數據位占用時(shí)間為1個(gè)ETU(Elementary Time Unit)，ETU與智能卡的時(shí)鐘頻率呈線(xiàn)性關(guān)系：ETU=F／(D×f)。其中，f為控制器工作頻率；F是時(shí)鐘轉換因子；D是波特率調整因子，支持2的次方數和負次方數。F和D的值，可以在智能卡的復位響應后根據響應提供的參數重新設定，如果智能卡沒(méi)有提供相應的參數，將使用缺省值(F=372，D=1)。

　　2.4 數據幀

　　在字符傳輸方式時(shí)，數據幀由10個(gè)數據位組成(如圖1所示)，第一個(gè)是起始位(Start)，后面跟8 b數據位，最后一個(gè)是奇偶校驗位。在沒(méi)有會(huì )話(huà)的時(shí)候，I／O信號線(xiàn)保持高電平。當出現奇偶校驗錯誤時(shí)，控制器會(huì )重發(fā)數據，最多重發(fā)4次，如果連續5次都發(fā)送不成功，控制器發(fā)出中斷，請求系統釋放智能卡。

　　在塊傳輸方式時(shí)，數據幀由1位起始位和8位數據位構成，沒(méi)有校驗位。塊幀由起始域，信息域和終止域構成。起始域3個(gè)字節分別為節點(diǎn)地址、協(xié)議控制和長(cháng)度；信息域為待發(fā)送的數據，終止域為CRC／LRC校驗字節。