基于AMBA总线的智能卡控制器设计

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)。

　　3.1 复位控制模块
　　复位控制模块通过状态机的跳变完成对智能卡的复位(如图3所示)。当智能卡上电后，系统初始处于IDLE状态，控制器在使能后按照规范向智能卡发出冷复位信号。首先RST复位信号置低400个CLK以上对卡复位，然后进入等待复位响应状态。控制器经过1 860个CLK后还没有收到复位响应则可以选择进入时钟停止状态。当时钟恢复后，等待700个CLK后重新开始检测复位响应。当I／O数据线上检测到负跳变，则进入起始位接收状态，一个ETU后顺次进入数据接收，校验位接收状态。最后判断校验位正确与否，如果校验正确就保持I／O线为高等待下一个数据的接收；如果出错，则拉低I／O线1个ETU通知智能卡数据出错，请求重传，并设置错误次数计数器。
　　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，热复位过程同上。如果热复位后40 000个时钟周期内，控制器仍未检测到复位响应，则控制器将结束会话，并释放智能卡。
　　3.2 数据收发控制模块
　　数据收发模块按照系统对控制寄存器，各时间寄存器和输出字节控制寄存器的设置来工作。与复位模块一样，数据收发模块也是由状态机跳变来完成。系统在复位响应完成后进人IDLE状态，根据协议选择字节传输方式(如图4所示)或是块传输方式(如图5所示)。

在字节传输方式下，当系统设置了输出字节控制