基于UART的智能卡接口IP核設計

摘要：分析了UART核的結構和智能卡的傳輸協(xié)議，提出一種基于UART核的智能卡接口IP核的設計。該設計以成熟的UART核為基礎，無需編寫異步串口的時序與接口邏輯，僅在串口核中增加收發(fā)緩沖器和協(xié)議處理等模塊，減少了工作量并縮短了開發(fā)周期。最后對所設計的IP核進行仿真和實際測試，結果表明該IP核設計正確，運行穩(wěn)定，適合在多卡系統(tǒng)中應用。
關鍵詞：UART；智能卡；IC卡；IP核；FPGA

引言
    智能卡以其安全、靈活、通用等特點，被廣泛應用在金融、交通以及其他安全終端設備上。目前許多讀卡器都采用單片機來實現(xiàn)，而在一些特殊應用中，同時需要多張甚至10張以上的智能卡。由于卡片嚴格的時序要求，僅用單片機已經(jīng)很難實現(xiàn)多卡的并行操作。FPGA具有硬件并行性和可編程等優(yōu)點，很容易實現(xiàn)并行且對時序邏輯要求較高的操作，同時IP核的應用又給基于FPGA的開發(fā)帶來了極大的便利，能減少大量開發(fā)時間。
    本文首先介紹了智能卡的基本規(guī)范，著重分析字符傳輸協(xié)議(T=0)的操作流程。然后分析了Altera公司提供的UART IP核的結構，在此基礎上給出了智能卡接口IP核的設計，并結合智能卡的操作流程，給出了傳輸協(xié)議的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖以及實現(xiàn)方法。最后對IP核進行仿真分析和實際測試。

1 智能卡操作流程簡介
    智能卡是IC卡的一種，帶有微處理器、存儲單元以及芯片操作系統(tǒng)，不僅具有數(shù)據(jù)存儲功能，同時還具有命令處理和數(shù)據(jù)安全保護等功能。智能卡采用異步半雙工通信方式，其傳輸協(xié)議分為字符傳輸協(xié)議(T=0)和塊傳輸協(xié)議(T=1)，本文重點討論字符傳輸協(xié)議(T=0)，它是目前使用較廣泛的通信協(xié)議。
    智能卡主要有復位操作和指令操作。復位操作是將智能卡的復位引腳拉低若干周期，拉高后智能卡回復1個數(shù)據(jù)幀，提供了協(xié)議選擇、時鐘轉(zhuǎn)換因子、波特率調(diào)整因子等參數(shù)，可供后續(xù)操作使用。該幀的長度在第2個字節(jié)中體現(xiàn)，因此先接收2個字節(jié)，再接收固定長度的數(shù)據(jù)，操作流程圖如圖1所示。

    T=0時，指令操作主要有4種情況，如表1所列。

    根據(jù)中國金融集成電路(IC)卡規(guī)范的規(guī)定，可在情況1后面補0，組成5字節(jié)指令。這時，4種情況都可歸納為：發(fā)送前5字節(jié)，等待接收1字節(jié)回復，由回復決定后續(xù)的操作。
    1字節(jié)的回復分為過程字節(jié)和狀態(tài)字節(jié)兩類，過程字節(jié)主要有INS(或INS補碼)、60、61、6C；除過程字節(jié)以外的其他回復都屬于狀態(tài)字節(jié)。收到過程字節(jié)后須執(zhí)行對應操作。接收到狀態(tài)字節(jié)后須再等待接收1字節(jié)狀態(tài)回復，將兩個狀態(tài)字節(jié)上傳給控制器，終止本次操作。T=0
時的指令操作流程圖如圖2所示。

2 智能卡接口IP核的設計與實現(xiàn)
2．1 UART核分析
    UART接口已經(jīng)很成熟，已有許多現(xiàn)成的IP核可使用，利用UART進行智能卡接口IP核的設計可減少大量的開發(fā)時間。本文以Altera公司的Avalon總線接口的UART核(下文中所有UART核均指該核)為基礎進行設計。[!--empirenews.page--]
    UART核主要有三大模塊；發(fā)送模塊(TX)、接收模塊(RX)、寄存器模塊(REG)。與CPU連接端為Avalon總線接口，與外部連接端為txd和rxd其主要結構和信號連接如圖3所示。

    REG模塊通過tx_wr_strobe把數(shù)據(jù)tx_data寫到TX模塊中，TX模塊按照設定的波特率往txd串行發(fā)送數(shù)據(jù)，同時把發(fā)送寄存器和發(fā)送移位寄存器的狀態(tài)通過tx_ready和tx_shift_empty傳回REG模塊。
    RX模塊根據(jù)設定的波特率對rxd進行采樣接收，當接收到1字節(jié)有效數(shù)據(jù)時置rx_char_ready有效，REG模塊通過rx_rd_strobe讀取接收的數(shù)據(jù)。
    REG模塊中包含控制寄存器、狀態(tài)寄存器、波特率寄存器、數(shù)據(jù)寄存器，還包含Avalon總線接口邏輯以及各種寄存器的操作邏輯。
2．2 智能卡接口IP核結構設計，
    智能卡的引腳有電源、地、復位、時鐘、數(shù)據(jù)，其中只有復位和數(shù)據(jù)線與操作有關，因此在IP核中只需要復位線和數(shù)據(jù)線。
    智能卡操作過程中，接收的數(shù)據(jù)和發(fā)送的指令都需要哲存在IP核內(nèi)，因此要在UART核上增加發(fā)送和接收緩沖。除此之外，還需要增加協(xié)議處理模塊用于操作過程中的判斷和交互，增加收發(fā)切換模塊實現(xiàn)異步半雙工的切換，增加發(fā)送控制模塊用于發(fā)送不同的數(shù)據(jù)?；赨ART核的智能卡接口IP核結構如圖4所示。

    圖4中，保留UART的RX和TX模塊不變，在REG模塊中增加了RX_BUF、TX_BUF、緩沖區(qū)長度寄存器，還增加了清緩沖區(qū)等功能。
    在UART核的基礎上增加協(xié)議處理模塊，它是操作智能卡的核心。協(xié)議處理模塊從RX模塊直接截取數(shù)據(jù)并處理，根據(jù)流程進行各種操作。協(xié)議處理模塊可以清除接收緩沖區(qū)中的過程數(shù)據(jù)、清除無效的發(fā)送指令，協(xié)議處理模塊還控制收發(fā)的切換、控制發(fā)送指令、控制IC卡復位。
    發(fā)送控制根據(jù)協(xié)議處理中的狀態(tài)和命令，發(fā)送不同的指令到智能卡中。
2．3 協(xié)議處理的實現(xiàn)
    在圖4中，協(xié)議處理模塊是實現(xiàn)CPU與智能卡交互的關鍵，本文采用狀態(tài)轉(zhuǎn)換的方法來實現(xiàn)。根據(jù)復位操作(圖1)和指令操作(圖2)的流程，可將智能卡的操作總結為7種狀態(tài)：空閑狀態(tài)、復位狀態(tài)、接收1字節(jié)狀態(tài)、接收定長數(shù)據(jù)狀態(tài)、收到0x61狀態(tài)、收到0x6c狀態(tài)、其他狀態(tài)。狀態(tài)轉(zhuǎn)換的主要條件是接收到特定的數(shù)據(jù)或接收到特定個數(shù)的數(shù)據(jù)，輔助條件是當前的狀態(tài)和其他參數(shù)。狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖5所示。

    空閑狀態(tài)：剛上電或無操作時處于空閑狀態(tài)，IP核等待CPU的命令。
    復位狀態(tài)：在空閑狀態(tài)下收到復位命令后，復位智能卡并進入復位狀態(tài)，等待接收數(shù)據(jù)。根據(jù)前2字節(jié)的回復設置接收數(shù)據(jù)長度，然后進入接收定長數(shù)據(jù)狀態(tài)。
    接收定長數(shù)據(jù)狀態(tài)：根據(jù)前一狀態(tài)的設置，等待接收固定個數(shù)的數(shù)據(jù)，當接收到設定個數(shù)的數(shù)據(jù)時，向CPU發(fā)送中斷請求并跳轉(zhuǎn)到空閑狀態(tài)。
    接收1字節(jié)狀態(tài)：在空閑狀態(tài)下當有效指令操作下發(fā)時，發(fā)送5字節(jié)命令頭，進入接收1字節(jié)狀態(tài)。在該狀態(tài)下，收到0x60則不進行任何處理；收到INS時需判斷LC，若LC不為0則發(fā)送剩余指令，若LC為0則設置接收長度進入到接收定長數(shù)據(jù)狀態(tài)；接收到0x61或0x6c則分別進入到相應狀態(tài)；接收到其他回復則設置固定接收長度為2，并進入接收定長數(shù)據(jù)狀態(tài)。
    收到0x61狀態(tài)；接收1字節(jié)數(shù)據(jù)為0x61時進入該狀態(tài)，在該狀態(tài)下等待接收1字節(jié)數(shù)據(jù)并將該數(shù)據(jù)加到00 C0 00 00后一起發(fā)送，同時回到接收1字節(jié)狀態(tài)。
    收到0x6c狀態(tài)：與收到0x61過程基本一樣，將接收到的數(shù)據(jù)加到CLA INS P1 P2后面發(fā)送。
    設計時，在非空閑狀態(tài)下設定超時計數(shù)器，計數(shù)器溢出后無條件返回到空閑狀態(tài)，同時清除接收和發(fā)送緩沖，表示本次操作失敗。另外，所有的過程字節(jié)在狀態(tài)處理時都被清除。[!--empirenews.page--]
2．4 智能卡接口IP核的實現(xiàn)
    由于篇幅有限，本文只介紹狀態(tài)轉(zhuǎn)換和指令的實現(xiàn)方法。
    用變量state表示當前的狀態(tài)，有效值為0～5，其他值均為無效狀態(tài)，在無效狀態(tài)下將直接跳轉(zhuǎn)到空閑狀態(tài)。狀態(tài)與state的對應關系如表2所列。

    本文所使用的收發(fā)緩沖模塊為SCFIFO，所有下發(fā)指令都先寫入到發(fā)送FIFO，所有接收的數(shù)據(jù)都進入到接收FIFO。
    表1中，4種指令長度都大于4，為實現(xiàn)復位操作，定義復位指令長度為1。實現(xiàn)時，為便于判斷指令，在指令之前先將指令長度寫到發(fā)送FIFO中。定義復位操作指令為01 01，其他操作指令為LEN(指令長度)+CMD(指令本身)。IP核先取出指令長度，當FIFO數(shù)據(jù)達到該長度時表示一個完整的指令已經(jīng)下發(fā)，這時才可對智能卡進行操作。

3 仿真與實際測試
3．1 Modelsim仿真分析
    為驗證智能卡接口IP核的正確性，在Modelsim ASE6．6d上進行了仿真分析。仿真時，測試程序模擬CPU向IP核發(fā)送指令，同時模擬智能卡給IP核回復數(shù)據(jù)。
3．1．1 復位操作仿真
    測試程序模塊CPU向發(fā)送緩沖區(qū)寫復位指令01 01，再模擬智能卡回復3b 7d 94 00 00 57 44 37 51 90 86 93 85 3e 97 06 2e 24(數(shù)據(jù)來源于實際PSAM卡)。圖6是復位操作的Modelsim仿真圖。

    圖6中，收到01 01指令后，IP核清空發(fā)送緩沖(tx_bur_clr=1)，使IC卡復位(ic_reset=0)，并跳轉(zhuǎn)到復位狀態(tài)(state=5)。由圖中可以看出，IP核接收到2字節(jié)后計算出回復的總長度為18，狀態(tài)變?yōu)榻邮斩ㄩL數(shù)據(jù)狀態(tài)(state=4)。當接收到的數(shù)據(jù)個數(shù)達到設定長度時(rx_buf_len =18)，向CPU申請中斷(irq=1)，同時回到空閑狀態(tài)(state=0)。
    由仿真看出，復位操作時序正確。
3．1．2 取隨機數(shù)操作仿真
    測試程序模擬CPU向發(fā)送緩沖區(qū)寫取隨機數(shù)指令05 00 84 00 OO 08，再模擬智能卡回復84 11 22 33 44 5566 77 88 90 00(8字節(jié)隨機數(shù)任意填寫)。圖7是取隨機數(shù)操作的Modelsim仿真圖。

    圖7中，取隨機數(shù)指令下發(fā)后，IP核將數(shù)據(jù)線切換為發(fā)送(t_r_sel=0)，發(fā)送指令并跳轉(zhuǎn)到接收1字節(jié)狀態(tài)(state=1)。當?shù)?個字節(jié)等于INS(84)且LC=0時，清空接收緩沖區(qū)中的過程響應(rx_bur_elr=1)，設置接收長度為10(rx_const_len=0a)，跳轉(zhuǎn)到接收定長數(shù)據(jù)狀態(tài)(state= 4)。當接收到10個數(shù)據(jù)(rx_bur_len=00a)后跳轉(zhuǎn)到空閑狀態(tài)，同時向CPU申請中斷(irq=1)。
    由仿真看出，取隨機數(shù)據(jù)操作時序正確。
3．2 實際測試
    對本文設計的IP核進行了實際測試。采用Ahera公司的Nios Il CPU作為控制器，EP3C40F48417N為FPGA芯片，用10張PSAM卡作為測試的IC卡，CPU時鐘為88．473 6 MHz，PSAM時鐘為5．529 6 MHz。
    測試操作過程為：
    ①返回根目錄3f00；
    ②取PSAM卡序列號；
    ③進入文件目錄df01；
    ④初始化加密認證；
    ⑤取認證碼；
    ⑥取隨機數(shù)。
    6個操作為1輪，每秒對10張PSAM卡進行一輪測試。共測了201 803輪，耗時20 908 s，平均每秒9．65輪，所有操作全部成功。
由此驗證，該IP核設計正確，運行穩(wěn)定。

結語
    本文分析了UART核與智能卡接口的結構，對T=0時的操作進行歸納，設計出基于UART的智能卡接口IP核。由于不需要重新設計UART的接收、發(fā)送以及相關寄存器等功能，使開發(fā)周期縮短了至少一半。將該IP核用在多卡系統(tǒng)中，能大量減輕CPU的負擔，提高CPU的效率。