基于FPGA的智能卡控制器的實(shí)現(xiàn)

馬 峰，徐和根，趙 曼

（同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804）

智能卡 （Smart Card）又稱(chēng)集成電路卡（Integrated Circuit Card），即 IC卡，目前大量使用的交通卡、門(mén)禁卡、銀行支付卡等都是智能卡。智能卡接口控制器是連接智能卡和主控設(shè)備的橋梁，是智能卡處理設(shè)備中的最重要組成部分之一。面對(duì)巨大的市場(chǎng)需求，越來(lái)越多的公司、科研機(jī)構(gòu)都在研究此類(lèi)控制器。

FPGA具有可重構(gòu)性、開(kāi)發(fā)周期短以及開(kāi)發(fā)流程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越多的工程師選擇將FPGA作為工程設(shè)計(jì)的首選。由于其內(nèi)嵌微處理器，F(xiàn)PGA在嵌入式方面也獲得了大量的運(yùn)用。此外，為縮短產(chǎn)品面市時(shí)間，F(xiàn)PGA廠商還會(huì)提供多種知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）核。這類(lèi)IP核可以作為功能模塊運(yùn)用在不同的設(shè)計(jì)中，方便了各種開(kāi)發(fā)的推進(jìn)。本文嘗試在EDK中開(kāi)發(fā)一個(gè)新的IP核，其功能就是實(shí)現(xiàn)對(duì)IC卡的接口控制。

1 用卡過(guò)程

正常的用卡過(guò)程可劃分為幾個(gè)階段：(1)將IC卡插入到接口設(shè)備 IFD(Interface Device)，并接通各觸點(diǎn)；(2)對(duì)IC卡進(jìn)行復(fù)位，在終端和IC卡間建立通信；(3)執(zhí)行交易；(4)釋放觸點(diǎn)并取出IC卡。

2 字符的物理傳送

交易過(guò)程中，數(shù)據(jù)以異步半雙工方式經(jīng)I/O線在終端和IC卡之間雙向傳送。由終端向IC卡提供時(shí)鐘信號(hào)，并以此來(lái)控制交易的時(shí)序。

數(shù)據(jù)在I/O線上以字符幀傳送，一個(gè)字符幀包含著10個(gè)相連的數(shù)位：1 bit狀態(tài)為低（L）的起始位、8 bit組成的數(shù)據(jù)字節(jié)和1 bit偶校驗(yàn)位，如圖1所示。

圖1 字符幀格式

3 IP核的設(shè)計(jì)

智能卡一般都遵循ISO7816通信協(xié)議，因此，該IP核的邏輯設(shè)計(jì)主要遵循ISO7816協(xié)議。

3.1 IP核的整體設(shè)計(jì)

本IP核的整體設(shè)計(jì)模塊如圖2所示。圖2中，AFIFO（異步）的作用主要是接收來(lái)自PLB總線或Device Controller的命令、地址和數(shù)據(jù)等。由于總線的工作頻率與Device Controller的工作頻率不一致，故此AFIFO不可省略。

圖2 IP核設(shè)計(jì)框圖

Input AFIFO接收來(lái)自總線的命令、地址和數(shù)據(jù)等，依次存儲(chǔ)在 FIFO中（深度為 16 bit），Device Controller則讀取該FIFO中數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的操作。

Output AFIFO用于接收Device（智能卡）返回的數(shù)據(jù)，并將其傳輸給總線。

Output Latch的作用是進(jìn)行狀態(tài)緩存與命令緩存，主要是為了滿(mǎn)足相關(guān)時(shí)序的要求。

Device Controller是設(shè)計(jì)的核心環(huán)節(jié)，它主要有以下功能特征：

（1）參數(shù)的傳遞以及協(xié)議的設(shè)定；

（2）時(shí)鐘頻率的轉(zhuǎn)換；

（3）功能的激活；

（4）時(shí)鐘的停止；

（5）功能的釋放；

（6）復(fù)位；

（7）應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元 APDU （Application Protocol Data Unit）傳送；

（8）PPS 交換。

該模塊通過(guò) PLB接收來(lái)自 CPU（即 Microblaze）的數(shù)據(jù)，并將它們轉(zhuǎn)換成串行信號(hào)。智能卡（Device）接收這些串行信號(hào)，并作出相應(yīng)的響應(yīng)。CPU通過(guò)PLB總線讀取這些響應(yīng)。其中，協(xié)議的選定是通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而且Device Controller的參數(shù)傳輸也是通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

根據(jù)該模塊的主要功能特征，將該模塊細(xì)化成以下幾個(gè)小的模塊。

（1）狀態(tài)機(jī)模塊：用于對(duì)通信狀態(tài)過(guò)程的轉(zhuǎn)換；

（2）計(jì)數(shù)器模塊：用于發(fā)送或接收數(shù)據(jù)的位數(shù)計(jì)算；

（3）時(shí)鐘分頻模塊：產(chǎn)生合適的時(shí)鐘頻率，用于與智能卡的通信；

（4）信號(hào)接口模塊：接收并解碼總線數(shù)據(jù)（命令、地址和數(shù)據(jù)）；

（5）數(shù)據(jù)接收模塊：用于接收Device發(fā)送的數(shù)據(jù)，并封裝成32 bit格式。

3.2 IP核的頂層模塊

控制器的頂層模塊的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 控制器頂層模塊結(jié)構(gòu)圖

在這個(gè)控制模塊中，有6個(gè)輸入信號(hào)是本控制器接收來(lái)自主控制器（Microblaze）的信號(hào)，分別為總線時(shí)鐘信號(hào)Bus2IP_Clk、總線復(fù)位信號(hào) Bus2IP_Reset、數(shù)據(jù)信號(hào)Bus2IP_Data、總線選擇信號(hào) Bus2IP_BE、總線讀使能信號(hào)Bus2IP_RdCE以及總線寫(xiě)使能信號(hào)Bus2IP_WrCE。5個(gè)信號(hào)用于本控制器發(fā)送響應(yīng)給主控制器（Microblaze），分別為IP發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)IP2Bus_Data、IP讀響應(yīng)信號(hào)IP2Bus_RdAck、IP寫(xiě)響應(yīng)信號(hào) IP2Bus_WrAck、IP報(bào)錯(cuò)信號(hào)IP2Bus_Error以及IP中斷信號(hào)IP2Bus_IntrEvent。還有6個(gè)信號(hào)用于本控制器與智能卡之間的通信，分別為輸出給智能卡的時(shí)鐘信號(hào)SCID2SC_CLK、復(fù)位信號(hào)SCID2SC_RST、電壓信號(hào) SCID2SC_VPP、接收智能卡返回值SCID2SC_IO_I、輸出信號(hào)給智能卡SCID2SC_IO_O、輸入輸出選擇信號(hào)SCID2SC_IO_T。在時(shí)鐘頻率的選擇上，由于Spartan-3A的工作頻率是62.5 MHz，因此Bus2IP_Clk采用的是62.5 MHz，而智能卡在這樣的高頻下則無(wú)法有效工作，因此通過(guò)DCM來(lái)實(shí)現(xiàn)分頻，最終選取IP_CLK的頻率為33.25 MHz。

3.3 控制器的工作流程

當(dāng)此控制器IP核接收到來(lái)自總線的命令后，就將開(kāi)始工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能卡的接口控制，其工作的狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖4所示。

圖4 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

上電后，該控制器開(kāi)始處于起始狀態(tài)（INITIAL），當(dāng)接收到來(lái)自總線的信號(hào)后，信號(hào)接收模塊便會(huì)識(shí)別信號(hào)中 的 命 令 。 當(dāng) 命 令 為 CMD_ACT、CMD_RST、CMD_ATR時(shí)，則開(kāi)始工作；否則，繼續(xù)處于起始狀態(tài)。

開(kāi)始工作后，首先進(jìn)入到SIGNAL_ST_CLK狀態(tài)，在這個(gè)狀態(tài)里，時(shí)鐘生成模塊開(kāi)始工作，它將產(chǎn)生一個(gè)需要的時(shí)鐘頻率，作為控制器與智能卡進(jìn)行通信的工作頻率。接著就要對(duì)智能卡進(jìn)行第一次復(fù)位（冷復(fù)位），即進(jìn)入到SIGNAL_ST_RST狀態(tài)，復(fù)位后進(jìn)入SIGNAL_ST_ATR狀態(tài)（ATR為復(fù)位應(yīng)答），等待來(lái)自智能卡的返回信息。當(dāng)智能卡發(fā)送信號(hào)有效時(shí)，進(jìn)入到SIGNAL_ST_GET狀態(tài)，接收來(lái)自智能卡的響應(yīng)。如果返回值正確，則將進(jìn)入空閑狀態(tài)（IDLE），等待下一命令。如果返回值不正確，則需要智能卡重新發(fā)送，并重新進(jìn)入到SIGNAL_ST_GET狀態(tài)。

在IDLE狀態(tài)下，控制器會(huì)根據(jù)總線后續(xù)的命令來(lái)進(jìn)行操作，在本設(shè)計(jì)中主要是發(fā)送CMD_ATR、CMD_APDU和CMD_PPS命令，其過(guò)程是對(duì)智能卡進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送。首先進(jìn)入到SIGNAL_ST_SEND狀態(tài)，每發(fā)完一組數(shù)據(jù)（10 bit）后，都會(huì)對(duì)這組數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，即進(jìn)入SIGNAL_ST_CHECK狀態(tài)。

當(dāng)所有操作命令都完成，就需要對(duì)此狀態(tài)機(jī)進(jìn)行釋放，進(jìn)入SIGNAL_ST_DACT狀態(tài)。釋放過(guò)程分為3步：首先對(duì)智能卡進(jìn)行復(fù)位操作，然后要停止向智能卡輸出時(shí)鐘信號(hào)，最后將控制器對(duì)智能卡的輸出信號(hào)拉低。至此，本次狀態(tài)轉(zhuǎn)換就結(jié)束了，對(duì)智能卡的一次控制也就完成了。

4 FPGA的實(shí)現(xiàn)

在ISE 12.4開(kāi)發(fā)環(huán)境中新建一個(gè)SmartCard控制器的工程，并添加EDK開(kāi)發(fā)模塊，運(yùn)用其IP生成功能來(lái)生成一個(gè)智能卡的控制IP核iso7816_intf_dev，輸入相應(yīng)的Verilog HDL代碼，并將生成的IP添加到EDK系統(tǒng)中。整個(gè)EDK系統(tǒng)的工作平臺(tái)如圖5所示。

圖5 EDK工作平臺(tái)

只需在將此工程生成相應(yīng)的比特流，并下載到FPGA開(kāi)發(fā)板上，就可以對(duì)智能卡進(jìn)行控制操作了。

為了在硬件上實(shí)現(xiàn)該控制器的功能，選用Xilinx公司的Spartan-3A系列XC3S700A-4FG484開(kāi)發(fā)板來(lái)實(shí)現(xiàn)該控制器。其內(nèi)部消耗資源概況如圖6所示。

最后，借助于Xilinx的SDK對(duì)該控制器進(jìn)行測(cè)試。在SDK中，可以運(yùn)用函數(shù)Xil_Out32或者Xil_In32來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。Xil_Out32（Base_Address+Offset，command/data），Xil_In32（Base_Address+Offset）。

驗(yàn)證此IP核能否正常工作，主要需要驗(yàn)證ATR、APDU和PPS這3個(gè)命令是否能夠正確地發(fā)送并接收正確的響應(yīng)。由于這3個(gè)命令的發(fā)送與接收都是運(yùn)用同樣的函數(shù)，只是命令符與地址不同，因此只列出ATR的測(cè)試情況。

運(yùn)用下面的函數(shù)向?qū)?yīng)的地址發(fā)送命令：

Xil_Out32（0xcce00004，0x03000003）；

Xil_Out32（0xcce00000，0x00000101）。

運(yùn)用下面的函數(shù)接收來(lái)自智能卡的響應(yīng)：

圖6 FPGA資源消耗

fpireg0=Xil_In32（0xcce0001c）；

xil_printf（"data0：%x "，fpireg0）。

智能卡對(duì)此命令的響應(yīng)如下，它返回12個(gè)字符：3B，19，96，00，21，02，00，00，00，F(xiàn)F，90，00。

這些響應(yīng)是符合此類(lèi)智能卡的響應(yīng)規(guī)定，因此，該IP核對(duì)于ATR功能是正確的。

利用同樣的驗(yàn)證方法可以看出，該IP核對(duì)于APDU以及PPS等命令的響應(yīng)都是完全正確的。

經(jīng)驗(yàn)證，本方案所設(shè)計(jì)的智能卡控制器是可行的。在進(jìn)行嵌入式設(shè)計(jì)時(shí)，可以將該IP核直接添加到相關(guān)的EDK工程中去，從而減少了設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。但是本設(shè)計(jì)還只是局限于將IP核運(yùn)用在FPGA上，以后需要繼續(xù)研究，能夠?qū)⒃揑P核通用化，這樣就可以添加到任何目標(biāo)系統(tǒng)中去，方便SoC的設(shè)計(jì)，這將是今后研究的重點(diǎn)所在。

[1]International Standard ISO/IEC 7816-3[S].

[2]Xilinx公司.Spartan-3 FPGA Family Data Sheet[Z].

[3]Xilinx公司.Spartan-3 Starter Kit Board User Guide[Z].

[4]夏宇聞，甘偉.Verilog HDL入門(mén)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.