摘 要： 嘗試在FPGA上實現(xiàn)對IC卡的控制，運(yùn)用EDK中的IP開發(fā)工具生成一個智能卡控制器的IP核，用以實現(xiàn)對IC卡的硬件控制。
關(guān)鍵詞： IC卡；IP；FPGA
智能卡（Smart Card）又稱集成電路卡（Integrated Circuit Card），即IC卡，目前大量使用的交通卡、門禁卡、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。面對巨大的市場需求，越來越多的公司、科研機(jī)構(gòu)都在研究此類控制器。
FPGA具有可重構(gòu)性、開發(fā)周期短以及開發(fā)流程簡單等優(yōu)點，越來越多的工程師選擇將FPGA作為工程設(shè)計的首選。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)品面市時間，F(xiàn)PGA廠商還會提供多種知識產(chǎn)權(quán)（IP）核。這類IP核可以作為功能模塊運(yùn)用在不同的設(shè)計中，方便了各種開發(fā)的推進(jìn)。本文嘗試在EDK中開發(fā)一個新的IP核，其功能就是實現(xiàn)對IC卡的接口控制。
1 用卡過程
正常的用卡過程可劃分為幾個階段：(1)將IC卡插入到接口設(shè)備IFD(Interface Device)，并接通各觸點；(2)對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)釋放觸點并取出IC卡。
2 字符的物理傳送
交易過程中，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卡提供時鐘信號，并以此來控制交易的時序。
數(shù)據(jù)在I/O線上以字符幀傳送，一個字符幀包含著10個相連的數(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偶校驗位，如圖1所示。
Input AFIFO接收來自總線的命令、地址和數(shù)據(jù)等，依次存儲在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，主要是為了滿足相關(guān)時序的要求。
Device Controller是設(shè)計的核心環(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）時鐘頻率的轉(zhuǎn)換；
（3）功能的激活；
（4）時鐘的停止；
（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PLB接收來自CPU（即Microblaze）的數(shù)據(jù)，并將它們轉(zhuǎn)換成串行信號。智能卡（Device）接收這些串行信號，并作出相應(yīng)的響應(yīng)。CPU通過PLB總線讀取這些響應(yīng)。其中，協(xié)議的選定是通過軟件來實現(xiàn)的，而且Device Controller的參數(shù)傳輸也是通過軟件來實現(xiàn)的。
根據(jù)該模塊的主要功能特征，將該模塊細(xì)化成以下幾個小的模塊。
（1）狀態(tài)機(jī)模塊：用于對通信狀態(tài)過程的轉(zhuǎn)換；
（2）計數(shù)器模塊：用于發(fā)送或接收數(shù)據(jù)的位數(shù)計算；
（3）時鐘分頻模塊：產(chǎn)生合適的時鐘頻率，用于與智能卡的通信；
（4）信號接口模塊：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。
在這個控制模塊中，有6個輸入信號是本控制器接收來自主控制器（Microblaze）的信號，分別為總線時鐘信號Bus2IP_Clk、總線復(fù)位信號Bus2IP_Reset、數(shù)據(jù)信號Bus2IP_Data、總線選擇信號Bus2IP_BE、總線讀使能信號Bus2IP_RdCE以及總線寫使能信號Bus2IP_WrCE。5個信號用于本控制器發(fā)送響應(yīng)給主控制器（Microblaze），分別為IP發(fā)送數(shù)據(jù)信號IP2Bus_Data、IP讀響應(yīng)信號IP2Bus_RdAck、IP寫響應(yīng)信號IP2Bus_WrAck、IP報錯信號IP2Bus_Error以及IP中斷信號IP2Bus_IntrEvent。還有6個信號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鐘信號SCID2SC_CLK、復(fù)位信號SCID2SC_RST、電壓信號SCID2SC_VPP、接收智能卡返回值SCID2SC_IO_I、輸出信號給智能卡SCID2SC_IO_O、輸入輸出選擇信號SCID2SC_IO_T。在時鐘頻率的選擇上，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法有效工作，因此通過DCM來實現(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核接收到來自總線的命令后，就將開始工作，實現(xiàn)對智能卡的接口控制，其工作的狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖4所示。
上電后，該控制器開始處于起始狀態(tài)（INITIAL），當(dāng)接收到來自總線的信號后，信號接收模塊便會識別信號中的命令。當(dāng)命令為CMD_ACT、CMD_RST、CMD_ATR時，則開始工作；否則，繼續(xù)處于起始狀態(tài)。
開始工作后，首先進(jìn)入到SIGNAL_ST_CLK狀態(tài)，在這個狀態(tài)里，時鐘生成模塊開始工作，它將產(chǎn)生一個需要的時鐘頻率，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），等待來自智能卡的返回信息。當(dāng)智能卡發(fā)送信號有效時，進(jìn)入到SIGNAL_ST_GET狀態(tài)，接收來自智能卡的響應(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，控制器會根據(jù)總線后續(xù)的命令來進(jìn)行操作，在本設(shè)計中主要是發(fā)送CMD_ATR、CMD_APDU和CMD_PPS命令，其過程是對智能卡進(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，都會對這組數(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，就需要對此狀態(tài)機(jī)進(jìn)行釋放，進(jìn)入SIGNAL_ST_DACT狀態(tài)。釋放過程分為3步：首先對智能卡進(jìn)行復(fù)位操作，然后要停止向智能卡輸出時鐘信號，最后將控制器對智能卡的輸出信號拉低。至此，本次狀態(tài)轉(zhuǎn)換就結(jié)束了，對智能卡的一次控制也就完成了。
4 FPGA的實現(xiàn)
在ISE 12.4開發(fā)環(huán)境中新建一個SmartCard控制器的工程，并添加EDK開發(fā)模塊，運(yùn)用其IP生成功能來生成一個智能卡的控制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EDK系統(tǒng)的工作平臺如圖5所示。
只需在將此工程生成相應(yīng)的比特流，并下載到FPGA開發(fā)板上，就可以對智能卡進(jìn)行控制操作了。
為了在硬件上實現(xiàn)該控制器的功能，選用Xilinx公司的Spartan-3A系列XC3S700A-4FG484開發(fā)板來實現(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對該控制器進(jìn)行測試。在SDK中，可以運(yùn)用函數(shù)Xil_Out32或者Xil_In32來進(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）。
驗證此IP核能否正常工作，主要需要驗證ATR、APDU和PPS這3個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)接收來自智能卡的響應(yīng)：
fpireg0=Xil_In32（0xcce0001c）；
xil_printf（"data0：%x\r\n"，fpireg0）。
智能卡對此命令的響應(yīng)如下，它返回12個字符：3B，19，96，00，21，02，00，00，00，F(xiàn)F，90，00。
這些響應(yīng)是符合此類智能卡的響應(yīng)規(guī)定，因此，該IP核對于ATR功能是正確的。
利用同樣的驗證方法可以看出，該IP核對于APDU以及PPS等命令的響應(yīng)都是完全正確的。
經(jīng)驗證，本方案所設(shè)計的智能卡控制器是可行的。在進(jìn)行嵌入式設(shè)計時，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)計的復(fù)雜度。但是本設(shè)計還只是局限于將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，這將是今后研究的重點所在。
參考文獻(xiàn)
[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[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.