基于AMBA總線的智能卡控制器設計

　摘要：通過分析ISO/IEC 7816-3傳輸協議,設計該符合協議標準的接觸式智能卡控制器,實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總線的Garfield系列芯片SEP4020中,采用硬件描述語言(verilog)實現。利用EDA工具VCS,Design Compiler對該控制器進行仿真、綜合。設計采用Altera公司的FPGA進行驗證,并采用SMIC 0.18μm工藝流片成功。在闡述該控制器設計原理的基礎上,進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。隨著嵌入式設備的普及，智能卡在金融、電信、單位考勤、公共事業、交通、醫療等領域得到廣泛應用。本文通過對ISO／IEC 7816-3傳輸協議的分析，基于AMBA總線架構，提出一款智能卡設計方案，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，并按照規范向智能卡發出冷復位信號，智能卡接收到該信號后向控制器發送復位響應，提供編碼方式、協議選擇、時鐘轉換因子、波特率調整因子、額外保護時間和最大工作等待時間等參數，后續的會話將按照這些參數進行。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，控制器將結束會話，并釋放智能卡。

　　2.2 傳輸協議

　　智能卡控制器有字符傳輸方式(character transmission)和塊傳輸方式(block transmission)兩種傳輸協議。在字符傳輸方式中數據以字節單位發送，支持數據奇偶校驗。塊傳輸方式以多個字節組成的塊為發送單位，發送連續的數據，不支持塊中單個字節數據的校驗，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，每個數據位占用時間為1個ETU(Elementary Time Unit)，ETU與智能卡的時鐘頻率呈線性關系：ETU=F／(D×f)。其中，f為控制器工作頻率；F是時鐘轉換因子；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，數據幀由10個數據位組成(如圖1所示)，第一個是起始位(Start)，后面跟8 b數據位，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。當出現奇偶校驗錯誤時，控制器會重發數據，最多重發4次，如果連續5次都發送不成功，控制器發出中斷，請求系統釋放智能卡。

　　在塊傳輸方式時，數據幀由1位起始位和8位數據位構成，沒有校驗位。塊幀由起始域，信息域和終止域構成。起始域3個字節分別為節點地址、協議控制和長度；信息域為待發送的數據，終止域為CRC／LRC校驗字節。