接觸式CPU卡中T=0異步半雙工字符傳輸協(xié)議的硬件實(shí)現(xiàn)

摘    要：T=0異步半雙工字符傳輸協(xié)議是接觸式IC卡國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC 7816中規(guī)定的一種通信協(xié)議。本文首先分析了ISO/IEC 7816－3中對(duì)于電信號(hào)和傳輸協(xié)議的規(guī)定，在此基礎(chǔ)上介紹了T＝0異步半雙工字符傳輸協(xié)議的硬件實(shí)現(xiàn)方法。
關(guān)鍵詞：ISO/IEC 7816；異步半雙工字符傳輸協(xié)議；CPU卡

引言
CPU卡作為IC卡家族中功能最強(qiáng)、安全性最高的成員，已經(jīng)逐漸在各種應(yīng)用中占據(jù)主導(dǎo)地位。在ISO/IEC 7816－3中介紹了兩種通信協(xié)議：T=0和T=1通信協(xié)議。T=0是異步半雙工字符傳輸協(xié)議，T=1是異步半雙工塊傳輸協(xié)議。目前大多數(shù)接口設(shè)備都支持T=0通信協(xié)議，因此該協(xié)議應(yīng)用較為廣泛。
T=0通信協(xié)議可以通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。但在軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，需要通過(guò)軟件編程來(lái)控制數(shù)據(jù)收發(fā)，對(duì)于實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的通信處理，CPU的處理能力常常滿(mǎn)足不了要求，而且通信的可靠性和穩(wěn)定性也不是很理想，而硬件電路實(shí)現(xiàn)不存在上述問(wèn)題。

傳輸協(xié)議描述
ISO/IEC 7816-3規(guī)定了IC卡的電氣特性和傳輸協(xié)議。包括該類(lèi)卡和接口設(shè)備間的電源、電氣信號(hào)協(xié)議和信息交換協(xié)議。通信過(guò)程中，由接口設(shè)備給IC卡提供電源(Vcc)，復(fù)位信號(hào)(RST)和時(shí)鐘(CLK)，卡和接口設(shè)備間通過(guò)I/O端口進(jìn)行串行通信。
定義I/O端口有兩種可能狀態(tài)：
傳號(hào)或高電平(狀態(tài)Z)：當(dāng)卡和接口設(shè)備均處于接收狀態(tài)時(shí)，I/O端口處于狀態(tài)Z。也可由發(fā)送方強(qiáng)制定義為狀態(tài)Z。
空號(hào)或低電平(狀態(tài)A)：可由發(fā)送方強(qiáng)制定義為狀態(tài)A。
根據(jù)T=0異步半雙工字符傳輸協(xié)議，IC卡和接口設(shè)備之間以字符為單位(簡(jiǎn)稱(chēng)字符幀)進(jìn)行傳輸，采用偶校驗(yàn)，每個(gè)字符由10bit組成，如圖1所示。傳輸字符幀之前，I/O線(xiàn)處于狀態(tài)Z，第1bit為起始位(狀態(tài)A)；后面8bit為數(shù)據(jù)位D1~D8；第10bit為偶校驗(yàn)位，即8位數(shù)據(jù)和奇偶校驗(yàn)位中1的個(gè)數(shù)為偶數(shù)。
串行通信是按位傳送的，每位信息寬度(持續(xù)時(shí)間)定義為基本時(shí)間單位etu(elementary  time  unit)。在復(fù)位應(yīng)答期間的信息寬度稱(chēng)為“初始etu”，它等于372個(gè)時(shí)鐘周期，即1etu = 372/f 。復(fù)位應(yīng)答后的信息寬度稱(chēng)為“當(dāng)前etu”，其計(jì)算公式為：
當(dāng)前etu
其中：F是時(shí)鐘頻率變換因數(shù)；D是比特率調(diào)整因數(shù)；f是時(shí)鐘頻率。

硬件實(shí)現(xiàn)方案
按照上述標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)的可編程串行接口系統(tǒng)如圖2所示。
可編程串行接口內(nèi)部的特殊功能寄存器有：
1. 串行接口控制/狀態(tài)寄存器SCON(復(fù)位后為00H)。
寄存器各位定義如下：
SCON[0]：接收中斷標(biāo)志位；
SCON[1]：發(fā)送中斷標(biāo)志位；
SCON[2]：發(fā)送出錯(cuò)標(biāo)志位；
SCON[3]：接收出錯(cuò)標(biāo)志位；
SCON[4]：允許發(fā)送標(biāo)志位；
SCON[5]：允許接收標(biāo)志位；
SCON[6]：保留；
SCON[7]：可編程串行接口允許標(biāo)志位。
SCON[4]、SCON[5]不能同時(shí)為1，否則I/O接口將處于邏輯混亂狀態(tài)。
2.串行接口數(shù)據(jù)緩沖器SBUF(復(fù)位后為00H) 。發(fā)送時(shí)，SBUF作為發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖器，用于緩存待發(fā)的數(shù)據(jù)。接收時(shí)，SBUF作為接收數(shù)據(jù)緩沖器，用于緩存收到的數(shù)據(jù)。
3. 波特率寄存器MR、BR (復(fù)位后MR=0BH，BR=13H，串行接口工作于基本速率)。為了簡(jiǎn)化硬件電路設(shè)計(jì)，將復(fù)位應(yīng)答信號(hào)中TA1包含的F1和D1對(duì)應(yīng)的波特率譯碼工作交由軟件完成，由軟件設(shè)置通信波特率。內(nèi)部13bit定時(shí)器根據(jù)波特率寄存器MR、BR 值( &)對(duì)CLK信號(hào) 進(jìn)行分頻，以確定信息寬度。因?yàn)?etu，所以MR，BR寄存器設(shè)定為MR[7?]&BR[4?]= -1，例如，基本速率時(shí)，F(xiàn)＝372，D＝1，可得，設(shè)置MR＝0BH，BR=13H，即“00001011,10011”=371；對(duì)于手機(jī)中常用的增強(qiáng)速率，F(xiàn)＝512，D＝8，可得，設(shè)置MR=01H，BR=1FH，即“00000001,11111”=63。
下面介紹可編程串行接口的工作過(guò)程。在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)前，按以下步驟初始化串行接口：
1. 根據(jù)應(yīng)用，通過(guò)設(shè)置MR、BR寄存器來(lái)設(shè)定通信速率。
2. 清除SCON[0]和SCON[1]中斷標(biāo)志。
3. 置位串行接口允許標(biāo)志位SCON[7]，使能串行接口。
初始化工作完成后，可選擇發(fā)送模式或接收模式。
發(fā)送模式
首先將發(fā)送數(shù)據(jù)寫(xiě)入SBUF，數(shù)據(jù)移位寄存器data_shift_reg [10~0]將自動(dòng)寫(xiě)入 “ ”，其中P為奇偶校驗(yàn)位，為欲發(fā)送數(shù)據(jù)，0為起始位，1代表狀態(tài)Z，最低兩位“01”用于產(chǎn)生起始位下降沿。
置位SCON[4]，數(shù)據(jù)開(kāi)始發(fā)送。根據(jù)波特率寄存器中設(shè)置的值，接收/發(fā)送控制模塊中，13位定時(shí)器在每位數(shù)據(jù)將結(jié)束時(shí)產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖。當(dāng)計(jì)數(shù)脈沖有效時(shí)，數(shù)據(jù)移位寄存器右移1位，最低位輸出到I/O線(xiàn)，最高位補(bǔ)入I/O線(xiàn)采樣數(shù)據(jù)。
當(dāng)校驗(yàn)位發(fā)送完畢后，I/O線(xiàn)變?yōu)楦咦钁B(tài)，發(fā)方在11etu處對(duì)I/O線(xiàn)進(jìn)行采樣，如果為狀態(tài)Z，則認(rèn)為接收正確；如果為狀態(tài)A，則認(rèn)為傳輸出錯(cuò)，根據(jù)結(jié)果刷新串行接口控制/狀態(tài)寄存器中相應(yīng)位。
當(dāng)一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，無(wú)論發(fā)送是否正確，SCON[1] 都將硬件置位，產(chǎn)生發(fā)送中斷申請(qǐng)。如果發(fā)送正確，SCON[4]將被硬件自動(dòng)清0；如果發(fā)送出錯(cuò)，發(fā)送出錯(cuò)標(biāo)志位SCON[2]將被硬件置位，SBUF中的數(shù)據(jù)將從檢測(cè)到錯(cuò)誤那一刻起2etu后自動(dòng)重發(fā)，如圖3所示。在重發(fā)完畢前，必須軟件清除SCON[1]及發(fā)送出錯(cuò)標(biāo)志位SCON[2]，否則將會(huì)出現(xiàn)循環(huán)重發(fā)錯(cuò)誤。
接收模式
置位SCON[5] ，系統(tǒng)處于接收狀態(tài)。
起始位的檢測(cè)是通過(guò)對(duì)I/O線(xiàn)進(jìn)行周期性采樣判決得到的。為了提高抗噪聲性能，當(dāng)檢測(cè)到起始位后，在每位數(shù)據(jù)中間進(jìn)行3次采樣，根據(jù)采樣判決結(jié)果產(chǎn)生采樣數(shù)據(jù)，根據(jù)波特率寄存器中設(shè)置的值，接收/發(fā)送控制模塊中13位定時(shí)器在每位數(shù)據(jù)中間產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖。在計(jì)數(shù)脈沖控制下，將采樣數(shù)據(jù)串行移入數(shù)據(jù)移位寄存器。
當(dāng)一幀數(shù)據(jù)接收完畢后，進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)。根據(jù)校驗(yàn)結(jié)果，在起始位下降沿后第10.5個(gè)etu起發(fā)送確認(rèn)位。確認(rèn)位為狀態(tài)Z，表示接收正確，為狀態(tài)A，表示接收出錯(cuò)。確認(rèn)位信號(hào)寬度為1個(gè)etu，如圖4所示。無(wú)論接收是否正確， SCON[0]都將在起始位下降沿后第10.5個(gè)etu置位，產(chǎn)生接收中斷，并根據(jù)校驗(yàn)結(jié)果刷新串行接口控制/狀態(tài)寄存器中相應(yīng)位。如果正確接收，SCON[5]將被硬件自動(dòng)清除，數(shù)據(jù)移位寄存器中收到的8bit數(shù)據(jù)將自動(dòng)加載到SBUF中；如果不正確，則置位接收出錯(cuò)標(biāo)志位SCON[3]，等待數(shù)據(jù)重發(fā)。軟件清除SCON[0]和SCON[3] 必須在下一幀數(shù)據(jù)接收完畢前完成。
由于設(shè)有數(shù)據(jù)移位寄存器和SBUF緩沖器，從而能在一幀數(shù)據(jù)接收完，由數(shù)據(jù)移位寄存器裝入SBUF后，立即開(kāi)始接收下一幀信息，CPU應(yīng)在下一幀數(shù)據(jù)接收結(jié)束前從SBUF緩沖器中將數(shù)據(jù)取走，否則前一幀數(shù)據(jù)將丟失。
通過(guò)上述可編程串行接口，當(dāng)接收或發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)后，內(nèi)部硬件自動(dòng)置位SCON[0] 或SCON[1]，CPU可以通過(guò)查詢(xún)中斷標(biāo)志位或響應(yīng)中斷申請(qǐng)來(lái)進(jìn)行串行通信處理。兩個(gè)中斷請(qǐng)求標(biāo)志位不能由硬件自動(dòng)清0，而必須通過(guò)軟件清0。

結(jié)語(yǔ)
ISO/IEC 7816，T=0異步半雙工字符傳輸協(xié)議的硬件實(shí)現(xiàn)電路具有如下特點(diǎn)：對(duì)每位數(shù)據(jù)采取多次采樣判決的方式，提高了接口抗干擾能力；通信波特率軟件可調(diào)，滿(mǎn)足不同系統(tǒng)對(duì)通信速率的要求；T=0協(xié)議基于字符幀檢錯(cuò)重發(fā)。為了避免可能出現(xiàn)的無(wú)限次的重發(fā)現(xiàn)象，在軟件中可設(shè)置最大重發(fā)次數(shù)。同T=1協(xié)議相比，在通信質(zhì)量不理想的情況下，T=0協(xié)議只需要重發(fā)錯(cuò)誤字符幀，提高了工作效率?！?/P>

參考文獻(xiàn)
1 International Standard ISO/IEC 7816-3 . Identification cards. Integrated circuit(s) cards with contacts，Part 3：Electronic signals and transmission protocols，1997
2 王愛(ài)英. 智能卡技術(shù)－IC卡第二版. 清華大學(xué)出版社，2000.10

作者簡(jiǎn)介：
龔宗躍，工程師，碩士，研究方向?yàn)閿?shù)字集成電路前端設(shè)計(jì)；孫東昱，工程師，碩士，研究方向?yàn)閿?shù)字集成電路前端設(shè)計(jì)。