基于FPGA的智能卡控制器的实现

1万 · 2013-2-1 12:57

智能卡（Smart Card）又称集成电路卡（Integrated Circuit Card），即IC卡，目前大量使用的交通卡、门禁卡、银行支付卡等都是智能卡。智能卡接口控制器是连接智能卡和主控设备的桥梁，是智能卡处理设备中的最重要组成部分之一。面对巨大的市场需求，越来越多的公司、科研机构都在研究此类控制器。

　FPGA具有可重构性、开发周期短以及开发流程简单等优点，越来越多的工程师选择将FPGA作为工程设计的首选。由于其内嵌微处理器，FPGA在嵌入式方面也获得了大量的运用。此外，为缩短产品面市时间，FPGA厂商还会提供多种知识产权（IP）核。这类IP核可以作为功能模块运用在不同的设计中，方便了各种开发的推进。本文尝试在EDK中开发一个新的IP核，其功能就是实现对IC卡的接口控制。

1 用卡过程
　正常的用卡过程可划分为几个阶段：(1)将IC卡插入到接口设备IFD(Interface Device)，并接通各触点；(2)对IC卡进行复位，在终端和IC卡间建立通信；(3)执行交易；(4)释放触点并取出IC卡。

2 字符的物理传送
　交易过程中，数据以异步半双工方式经I/O线在终端和IC卡之间双向传送。由终端向IC卡提供时钟信号，并以此来控制交易的时序。

数据在I/O线上以字符帧传送，一个字符帧包含着10个相连的数位：1 bit状态为低（L）的起始位、8 bit组成的数据字节和1 bit偶校验位，如图1所示。

　Input AFIFO接收来自总线的命令、地址和数据等，依次存储在FIFO中（深度为16 bit），Device Controller则读取该FIFO中数据，并进行相应的操作。

　 Output AFIFO用于接收Device（智能卡）返回的数据，并将其传输给总线。

　 Output Latch的作用是进行状态缓存与命令缓存，主要是为了满足相关时序的要求。

　Device Controller是设计的核心环节，它主要有以下功能特征：
　（1）参数的传递以及协议的设定；
　（2）时钟频率的转换；
　（3）功能的激活；
　（4）时钟的停止；
　（5）功能的释放；
　（6）复位；
　（7）应用协议数据单元APDU（Application Protocol Data Unit）传送；
　（8）PPS交换。

　该模块通过PLB接收来自CPU（即Microblaze）的数据，并将它们转换成串行信号。智能卡（Device）接收这些串行信号，并作出相应的响应。CPU通过PLB总线读取这些响应。其中，协议的选定是通过软件来实现的，而且Device Controller的参数传输也是通过软件来实现的。

根据该模块的主要功能特征，将该模块细化成以下几个小的模块。
　（1）状态机模块：用于对通信状态过程的转换；
　（2）计数器模块：用于发送或接收数据的位数计算；
　（3）时钟分频模块：产生合适的时钟频率，用于与智能卡的通信；
　（4）信号接口模块：接收并解码总线数据（命令、地址和数据）；
　（5）数据接收模块：用于接收Device发送的数据，并封装成32 bit格式。

1万 · 2013-2-1 12:57

3.2 IP核的顶层模块
　控制器的顶层模块的结构图如图3所示。

　在这个控制模块中，有6个输入信号是本控制器接收来自主控制器（Microblaze）的信号，分别为总线时钟信号Bus2IP_Clk、总线复位信号Bus2IP_Reset、数据信号Bus2IP_Data、总线选择信号Bus2IP_BE、总线读使能信号Bus2IP_RdCE以及总线写使能信号Bus2IP_WrCE。5个信号用于本控制器发送响应给主控制器（Microblaze），分别为IP发送数据信号IP2Bus_Data、IP读响应信号IP2Bus_RdAck、IP写响应信号IP2Bus_WrAck、IP报错信号IP2Bus_Error以及IP中断信号IP2Bus_IntrEvent。还有6个信号用于本控制器与智能卡之间的通信，分别为输出给智能卡的时钟信号SCID2SC_CLK、复位信号SCID2SC_RST、电压信号SCID2SC_VPP、接收智能卡返回值SCID2SC_IO_I、输出信号给智能卡SCID2SC_IO_O、输入输出选择信号SCID2SC_IO_T。在时钟频率的选择上，由于Spartan-3A的工作频率是62.5 MHz，因此Bus2IP_Clk采用的是62.5 MHz，而智能卡在这样的高频下则无法有效工作，因此通过DCM来实现分频，最终选取IP_CLK的频率为33.25 MHz。

3.3 控制器的工作流程
　当此控制器IP核接收到来自总线的命令后，就将开始工作，实现对智能卡的接口控制，其工作的状态转换如图4所示。

　上电后，该控制器开始处于起始状态（INITIAL），当接收到来自总线的信号后，信号接收模块便会识别信号中的命令。当命令为CMD_ACT、CMD_RST、CMD_ATR时，则开始工作；否则，继续处于起始状态。
开始工作后，首先进入到SIGNAL_ST_CLK状态，在这个状态里，时钟生成模块开始工作，它将产生一个需要的时钟频率，作为控制器与智能卡进行通信的工作频率。接着就要对智能卡进行第一次复位（冷复位），即进入到SIGNAL_ST_RST状态，复位后进入SIGNAL_ST_ATR状态（ATR为复位应答），等待来自智能卡的返回信息。当智能卡发送信号有效时，进入到SIGNAL_ST_GET状态，接收来自智能卡的响应。如果返回值正确，则将进入空闲状态（IDLE），等待下一命令。如果返回值不正确，则需要智能卡重新发送，并重新进入到SIGNAL_ST_GET状态。

1万 · 2013-2-1 12:58

在IDLE状态下，控制器会根据总线后续的命令来进行操作，在本设计中主要是发送CMD_ATR、CMD_APDU和CMD_PPS命令，其过程是对智能卡进行数据的发送。首先进入到SIGNAL_ST_SEND状态，每发完一组数据（10 bit）后，都会对这组数据进行检查，即进入SIGNAL_ST_CHECK状态。

　当所有操作命令都完成，就需要对此状态机进行释放，进入SIGNAL_ST_DACT状态。释放过程分为3步：首先对智能卡进行复位操作，然后要停止向智能卡输出时钟信号，最后将控制器对智能卡的输出信号拉低。至此，本次状态转换就结束了，对智能卡的一次控制也就完成了。

4 FPGA的实现
　在ISE 12.4开发环境中新建一个SmartCard控制器的工程，并添加EDK开发模块，运用其IP生成功能来生成一个智能卡的控制IP核iso7816_intf_dev，输入相应的Verilog HDL代码，并将生成的IP添加到EDK系统中。整个EDK系统的工作平台如图5所示。

　只需在将此工程生成相应的比特流，并下载到FPGA开发板上，就可以对智能卡进行控制操作了。
为了在硬件上实现该控制器的功能，选用Xilinx公司的Spartan-3A系列XC3S700A-4FG484开发板来实现该控制器。其内部消耗资源概况如图6所示。

　最后，借助于Xilinx的SDK对该控制器进行测试。在SDK中，可以运用函数Xil_Out32或者Xil_In32来进行数据的发送与接收。

　Xil_Out32（Base_Address+Offset，command/data），Xil_In32（Base_Address+Offset）。
验证此IP核能否正常工作，主要需要验证ATR、APDU和PPS这3个命令是否能够正确地发送并接收正确的响应。由于这3个命令的发送与接收都是运用同样的函数，只是命令符与地址不同，因此只列出ATR的测试情况。

1万 · 2013-2-1 12:58

运用下面的函数向对应的地址发送命令：
　Xil_Out32（0xcce00004，0x03000003）；
　Xil_Out32（0xcce00000，0x00000101）。
　运用下面的函数接收来自智能卡的响应：
　fpireg0=Xil_In32（0xcce0001c）；
　xil_printf（"data0：%x\r\n"，fpireg0）。
　智能卡对此命令的响应如下，它返回12个字符：3B，19，96，00，21，02，00，00，00，FF，90，00。
这些响应是符合此类智能卡的响应规定，因此，该IP核对于ATR功能是正确的。

利用同样的验证方法可以看出，该IP核对于APDU以及PPS等命令的响应都是完全正确的。

经验证，本方案所设计的智能卡控制器是可行的。在进行嵌入式设计时，可以将该IP核直接添加到相关的EDK工程中去，从而减少了设计的复杂度。但是本设计还只是局限于将IP核运用在FPGA上，以后需要继续研究，能够将该IP核通用化，这样就可以添加到任何目标系统中去，方便SoC的设计，这将是今后研究的重点所在。

基于FPGA的智能卡控制器的实现

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