安全智能卡SoC芯片的通讯接口设计与实现

论文摘要

随着我国信息化进程的不断深入,智能卡（Smart Card）已在我国各个行业领域获得了广泛应用。智能卡也称集成电路卡,即IC卡（Integrated Circuit Card）。IC卡最初是为了解决金融交易中的安全问题而设计的,它带来全新的交易概念与前所未有的优势。这些优势主要在于其良好的机器读写能力、共同认可的防范技术和相对较大的数据存储能力。很快,这些优势被其他行业看中,使IC卡广泛应用于手机、交通、医疗、门禁、学校、身份证等其他领域。论文研究的目的在于加深对IC卡和读写设备之间通信原理的理解,完善IC卡通讯接口的设计方法,掌握当前SoC设计及IC卡通信的相关技术。课题的研究对象是基于ISO/IEC 7816-3标准的接触式IC卡通讯接口,并兼顾了金融领域的EMV规范和移动通信领域的GSM11.11规范中对IC卡通讯接口的相关规定。论文主要从以下几个方面对IC卡通讯接口技术做了深入的研究。文章首先分析了当今IC卡发展现状,指出本课题研究的意义。其次,研究了SoC设计技术、串行通信技术、智能卡的安全技术,并将其作为本设计的设计思想和设计方法。再次,研究了ISO/IEC 7816-3标准,因为此标准是国际公认的异步IC卡电路接口和传输协议,目前应用最为普遍,是IC卡通用的标准。另外EMV规范和GSM11.11规范中关于IC卡通讯接口的规定都和其基本一致。故此,本论文将其单独作为一章进行研究。最后,在这些技术理论准备的基础上,本文提出了一种接触式IC卡接口的设计方案,并在此方案指导下设计并实现了一款接触式IC卡通讯接口。论文工作的创新性主要体现在以下几个方面:1.课题设计采用基于总线的设计方法,使设计模块具有很强的可移植性。只需更改总线接口模块的设计,即可适用于其他类型的SoC芯片总线;2.课题设计模块作为读卡器接口应用时的通信时钟状态可读,提高了开发人员对硬件的可控制性;3. LRC和CRC校验功能均由硬件实现,提高了冗余校验的计算速度,同时为软件编程人员节省了ROM空间的开销;4.课题设计的ETU计数模块在接收数据和发送数据时具有重新同步功能。另外,作为读卡器接口应用时,还保障了不和智能卡通信时ETU计数模块不工作,以降低功耗;5.课题将主从模式的智能卡接口放在一起实现,既可作为智能卡接口应用,又可作为读卡器接口应用。论文的主要工作成果是设计实现了一款接触式IC卡通讯接口。该接口通过了各个层级的验证和成品测试,被证明完全支持ISO/IEC 7816-3标准、支持T=0与T=1传输协议、支持时钟停止操作、支持正向/反向约定、支持T=0时的字符出错重发功能和可选择的字符出错重发次数,并符合EMV规范、GSM11.11规范中对IC卡讯接口的相关规定,是一款功能完善、性能优越的接触式智能卡接口。该研究成果可作为今后对IC卡技术做进一步研究的参考资料,还可作为双界面卡的接触卡部分应用,具有广泛的应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 智能卡概述及其发展现状
• 1.3 研究目的及意义
• 1.4 研究内容及结构安排
• 第2章 安全智能卡通信的相关技术
• 2.1 SoC 技术
• 2.1.1 SoC 概述
• 2.1.2 SoC 设计方法学
• 2.2 串行通信技术
• 2.2.1 异步通信和同步通信
• 2.2.2 串行通信的制式
• 2.2.3 通信数据的差错检测
• 2.2.4 波特率与发送/接收时钟
• 2.3 安全技术
• 2.3.1 密码技术
• 2.3.2 数字签名
• 2.3.3 认证技术
• 2.3.4 存取权限控制
• 2.4 本章小结
• 第3章 智能卡标准 ISO/IEC 7816-3
• 3.1 操作程序
• 3.1.1 卡的激活
• 3.1.2 冷复位与热复位
• 3.1.3 时钟停止
• 3.1.4 停活
• 3.2 信息交换
• 3.2.1 复位应答ATR
• 3.2.2 协议参数选择PPS
• 3.2.3 APDU 命令响应对
• 3.3 特殊参数
• 3.3.1 基本时间单元ETU
• 3.3.2 额外保护时间整数N
• 3.3.3 等待时间WT
• 3.4 传输协议
• 3.4.1 传输协议T=0
• 3.4.2 传输协议T=1
• 3.5 本章小结
• 第4章 智能卡通讯接口的设计
• 4.1 系统结构设计
• 4.2 总线接口功能模块BUSI
• 4.3 PAD 接口功能模块 PADI
• 4.4 寄存器管理功能模块REGM
• 4.4.1 ETU 配置寄存器（ECR）
• 4.4.2 控制寄存器1（CR1）
• 4.4.3 控制寄存器2（CR2）
• 4.4.4 控制寄存器3（CR3）
• 4.4.5 状态寄存器（SR）
• 4.4.6 中断使能寄存器（IER）
• 4.4.7 额外保护时间整数寄存器（EGTIR）
• 4.4.8 等待时间寄存器（WTR）
• 4.4.9 数据寄存器（DR）
• 4.4.10 冗余校验寄存器（RCR）
• 4.5 状态中断管理功能模块INTM
• 4.6 通信时钟管理功能模块CLKM
• 4.7 时间管理功能模块TM
• 4.8 接收器RxM
• 4.8.1 接收状态机RSM
• 4.8.2 接收移位寄存器RSR
• 4.8.3 接收标志置位逻辑RF
• 4.9 发送器TxM
• 4.9.1 发送状态机TSM
• 4.9.2 发送移位寄存器TSR
• 4.9.3 发送标志置位逻辑TF
• 4.10 LRC 及 CRC 校验功能模块 RCM
• 4.10.1.L RC 的硬件实现
• 4.10.2.C RC 的硬件实现
• 4.11 本章小结
• 第5章 仿真验证与测试
• 5.1 模块级RTL 功能仿真验证
• 5.1.1 BUSI 读功能验证
• 5.1.2 PADI 主模式发送数据功能验证
• 5.1.3 REGM 写功能验证
• 5.1.4 INTM 功能验证
• 5.1.5 CLKM 功能验证
• 5.1.6 TM 功能验证
• 5.1.7 RxM 功能验证
• 5.1.8 TxM 功能验证
• 5.1.9 RCM 功能验证
• 5.2 基于SoC 仿真平台的系统级验证
• 5.3 FPGA 验证
• 5.3.1 SSCI 的FPGA 验证
• 5.3.2 MSCI 的FPGA 验证
• 5.4 芯片成品功能测试
• 5.5 本章小结
• 第6章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文及参加科研情况