智能卡控制器IP核的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

智能卡控制器是通過智能卡觸點(diǎn)C7（I/O）與控制器進(jìn)行半雙工串行通信的，在每一時(shí)刻觸點(diǎn)C7只有狀態(tài)Z和狀態(tài)A兩種狀態(tài)。

智能卡要傳輸一個(gè)字節(jié)（8個(gè)Bit）數(shù)據(jù)的要11個(gè)Bit位的時(shí)間寬度，在下表中被記成t1到t11。其中第一個(gè)時(shí)刻t1傳輸?shù)腟tart位被稱為起始位；第二到第九個(gè)時(shí)刻，即時(shí)刻t2到時(shí)刻t9，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)ba到bh為一個(gè)字節(jié)的八個(gè)位；時(shí)刻t10傳送的pi位為奇偶校驗(yàn)位；最后一個(gè)時(shí)刻t11傳輸?shù)腟top位被稱為停止位，標(biāo)志著一個(gè)字節(jié)（8個(gè)Bit）的數(shù)據(jù)傳輸完成。請(qǐng)見下表：

1）智能卡是否存在信號(hào)IC_PRES：用于探測(cè)智能卡座上是否有智能卡存在，當(dāng)有智能卡插入或拔出時(shí)，該信號(hào)的電平發(fā)生跳變，本IP核能夠探測(cè)該信號(hào)的電平的變化，并以中斷等方式報(bào)告給CPU；

2）智能卡電源控制信號(hào)IC_PWR：用于控制智能卡的電源VCC或VPP（觸點(diǎn)C1或C6），用于打開和關(guān)閉智能卡電源；

3）時(shí)鐘信號(hào)IC_CLK：同智能卡觸點(diǎn)C3相連接，用于向智能卡輸入一定頻率的時(shí)鐘信號(hào)；

4）復(fù)位信號(hào)IC_RST：同智能卡觸點(diǎn)C2相連接，用于向智能卡發(fā)出復(fù)位信號(hào)；

5）雙向串行數(shù)據(jù)信號(hào)IC_IO：同智能卡觸點(diǎn)C7相連接，用于實(shí)現(xiàn)與智能卡的雙向數(shù)據(jù)通信。

智能卡控制器核內(nèi)部有發(fā)送和接收模塊（Transmitter and Receiver）、中斷仲裁模塊（Interrupt Arbitrator）、函數(shù)模塊（Function Generator）、時(shí)鐘模塊（Clock Generator）、智能卡接口模塊（Interface Device）和訪問寄存器模塊（Register Access Control）六大模塊，這些模塊之間的關(guān)系見圖1所示：

圖1ISO7816智能卡控制器模塊結(jié)構(gòu)圖

主要模塊功能及特征描述如下：

1. 發(fā)送和接收模塊

發(fā)送和接收模塊負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和接收。發(fā)送模塊是將FIFO發(fā)送隊(duì)列中的數(shù)據(jù)按照設(shè)定的格式把并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)幀，并通過發(fā)送端口送出去。接收模塊則監(jiān)視接收端信號(hào)，一旦出現(xiàn)有效開始位，就進(jìn)行接收，并實(shí)現(xiàn)將接收到的異步串行數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，存入FIFO接收隊(duì)列中，同時(shí)檢查數(shù)據(jù)幀格式是否有錯(cuò)。智能卡控制器的幀結(jié)構(gòu)是通過LCR（Line Control Reg）寄存器設(shè)置的，接收和傳送器的狀態(tài)被保存在LSR（Line Status Reg）寄存器中。

2. 中斷仲裁模塊

當(dāng)任何一種中斷條件被滿足時(shí)，并且在中斷使能寄存器（IER， Interrupt Enable Reg）中相應(yīng)位置1，那么智能卡的中斷請(qǐng)求信號(hào)INT被置為有效狀態(tài)。為了減少和外部軟件的交互，智能卡控制器把中斷分為四個(gè)級(jí)別，并且在中斷標(biāo)識(shí)寄存器（IIR， Interrupt ID Reg）中標(biāo)識(shí)這些中斷。四個(gè)級(jí)別的中斷按優(yōu)先級(jí)級(jí)別由高到低的順序排列為：智能卡插拔中斷、接收線路狀態(tài)中斷、接收數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好中斷和傳送擁有寄存器為空中斷；。

3. 函數(shù)模塊

該模塊產(chǎn)生智能卡的相關(guān)時(shí)序。通過向函數(shù)寄存器（FR， Function Register）相應(yīng)的位置入相關(guān)的參數(shù)來探測(cè)智能卡、管理電源和產(chǎn)生復(fù)位時(shí)序等。

4. 時(shí)鐘模塊

時(shí)鐘模塊產(chǎn)生相應(yīng)頻率的時(shí)鐘供給智能卡，時(shí)鐘的頻率由CPU總線的時(shí)鐘頻率和寫入時(shí)鐘分頻寄存器（CDR， Clock Divisor Register）的值來決定，關(guān)系表達(dá)式如下：

fIC_CLK = fCPU /(2 * CDR)

5. 智能卡接口模塊

該模塊將相關(guān)信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以便適合于IC智能卡的通信。

6. 訪問寄存器模塊

當(dāng)智能卡控制器被總線控制器選中時(shí)，CPU可通過讀或?qū)懖僮髟L問被地址線選中的寄存器。

這部分將對(duì)本智能卡控制器中主要模塊的數(shù)字邏輯的實(shí)現(xiàn)方法逐一作簡(jiǎn)單說明。

4.1、數(shù)據(jù)接收模塊

在設(shè)計(jì)接收模塊的過程中，關(guān)鍵是如何實(shí)現(xiàn)Receiver Shift的邏輯電路，下圖是本智能卡控制器數(shù)據(jù)接收模塊中有關(guān)Receiver Shift邏輯電路的主控狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖：

圖2 接收模塊主控狀機(jī)

下面是該狀態(tài)機(jī)控制有關(guān)邏輯讀入數(shù)據(jù)的仿真波形圖：

4.3、函數(shù)模塊

函數(shù)模塊可以在軟件控制下產(chǎn)生激活智能卡和關(guān)閉智能卡所需的相關(guān)時(shí)序。這里簡(jiǎn)單介紹一下本控制器在軟件的支配下，激活智能卡的過程，見下面的波形圖。