（通信与信息系统专业论文）rfid智能卡芯片微控制器设计与实现.pdf

摘要 r f id 智能卡芯片微控制器设计与实现 专 业：通信与信息系统 硕士生：丁颜玉 指导教师：罗锡璋教授、谭洪舟教授 摘要 本课题研究一种基于i s 0 1 4 4 4 3t y p ea 协议的r f i d 智能卡芯片微控制器， 该微控制器全面兼容m c s - 5 1 系列指令集，同时拥有比标准8 0 5 1 更高的指令执 行效率和更低的系统运行功耗。本课题提出了一系列优化设计方法来提高微控制 器性能，同时尽可能降低成本和功耗，主要包括：采用功能模块复用方法，优化 微控制器系统结构以降低芯片面积和实现成本；设计全新的高效总线时序，提高 微控制器的指令执行效率；采用门控时钟技术来降低系统运行功耗：提出基于双 总线外设扩展方案，增强微控制器扩展能力。 本设计采用自顶向下的数字系统设计方法，对微控制器各个模块逐层细化， 在q u a r t u s 集成开发环境下通过v e r i l o gh d l 语言完成算术逻辑单元、程序计数 器、特殊功能寄存器、译码控制器、定时计数器、中断等模块的设计，通过 m o d e l s i m 进行模块仿真和系统仿真，仿真通过后将整个设计在a l t e r a 公司的 f p g a 器件上进行综合，布局布线和物理验证。经f p g a 物理验证成功之后，将 该微控制器核成功应用在新一代r f i d 智能卡芯片中。并交予后端设计组采用 s m i c0 1 8 u me e p r o m 工艺对整个设计进行综合、时序仿真和版图设计，并最终 成功实现流片，芯片测试结果达到预期效果。 本课题依托2 0 0 9 年国家自然科学基金重点项目、广州市花都区产学研重点 项目，其研究成果将为r f i d 标签芯片核心技术的突破和新一代物联网的建设提 供理论支撑和技术保证。 关键词：微控制器、r f i d 、智能卡、v e r i l o g 、片上系统 i a b s 丁r a c l t h ed e s i g nan di m p l e m e n t a t i o no f m i c r o c o n t r o e rf o rr f i ds m a r tc a r dc h i p m a j o r ： n a m e ： s u p e r v i s o r = c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m s y a n y ud i n g p r o f e s s o rx i z h a n gl u oa n dp r o f e s s o rh o n g z h o ut a n a b s t r a c t am i c r o c o n t r o i i e rf 6 rr f i ds m a r tc a r dc h i pb a s e do ni s 0 1 4 4 4 3t y p eap r o t o c o l i sr e s e a r c h e di nt h i sp r o j e c t t h em i c r o c o n t r o l l e ri sf u l l yc o m p a t i b l ew i t ht h e s t a n d a r dm c s - 5 1i n s t r u c t i o ns e t ，b u tw i t hh i g h e rs p e e da n dl o w e rs y s t e mo p e r a t i o n p o w e rc o n s u m p t i o n i no r d e rt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c e ，r e d u c et h ec o s ta n d p o w e rc o n s u m p t i o no ft h em i c r o c o n t r o l l e r , t h i ss u b j e c tp u tf o r w a r das e r i e so f o p t i m a ld e s i g nm e t h o d s a sf o l l o w s f i r s t ，w et a k ef u n c t i o nm o d u l er e u s em e t h o dt o o p t i m i z e m i c r o - c o n t r o l l e rs y s t e ma r c h i t e c t u r e ，s oa st or e d u c ec h i pa r e aa n d i m p l e m e n t a t i o nc o s t ；s e c o n d ，w ed e s i g nat o t a l l yn e wb u st i m i n gw i t hh i g he f f i c i e n c y t oi m p r o v ei n s t r u c t i o ne x e c u t i o ns p e e do ft h em i c r o c o n t r o l l e r ；t h i r d ，w ea d o p tc l o c k g a t i n gt e c h n i q u ea n dt i m e s h a r i n gm o d ef o rv a r i o u sm o d u l e st or e d u c es y s t e m o p e r a t i n gp o w e rc o n s u m p t i o n ；f i n a l l y , w ep r o p o s ead u a l - b u sp e r i p h e r a le x p a n s i o n s o l u t i o nt os t r e n g t h e nt h ee x p a n s i o na b i l i t yo ft h em i c r o c o n t r o l l e r i nt h i sa r t i c l e ，w ea d o p tt o p - d o w nd i g i t a ls y s t e md e s i g nm e t h o d o l o g yt o d e c o m p o s ee a c hm o d u l eo ft h em i c r o c o n t r o l l e rl a y e rb yl a y e r , a n du s ev e r i l o gh d l l a n g u a g et od e s i g nm o d u l e si nt h eq u a r t u si ii n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t t h e s em o d u l e si n c l u d ea l u lp c 。s f r 。d e c o d e ra n dc o n t r o lu n i t 。t i m e r c o u n t e r s , i n t e r r u p ta n d s of o r t h t h a nw ed om o d u l es i m u l a t i o na n ds y s t e ms i m u l a t i o nt h r o u g h s i m u l a t i o nt o o l ss u c ha sm o d e l s i m a f t e rt h es i m u l a t i o np a s s e dw ei m p l e m e n t s y n t h e s i s ，p l a c e ，r o u t ea n dp h y s i c a lv e r i f i c a t i o nf o rt h ew h o l ed e s i g ni na l t e r a sf p g a d e v i c e s a f t e rt h es u c c e s so f p h y s i c a lv e r i f i c a t i o n i nt h ef p g a , w ea p p l yt h e m i c r o c o n t r o l l e rc o r ean e wg e n e r a t i o nr f i ds m a r tc a r dc h i ps u c c e s s f u l l y , a n d i m p l e m e n ts y n t h e s i s ，t i m i n gs i m u l a t i o na n dl a y o u td e s i g nt ot h ew h o l ed e s i g nu s i n g s m i c0 1 s u me e p r o mt e c h n o l o g y f i n a l l y , t h ep r o j e c ti sv e r i f i e da n dt a p e do u t s u c c e s s f u l l y , a n dt h et e s t i n gr e s u l t so ft h ec h i pa c h i e v et h ed e s i r e de f f e c t s t h i ss u b j e c tr e l i e so nt h ek e yp r o j e c to fn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n a2 0 0 9a n dt h ee n t e r p r i s e c o l l e g e r e s e a r c hc o o p e r a t i o no fh u a d ud i s t r i c t ， g u a n g z h o uc i t y t h ea c h i e v e m e n to ft h er e s e a r c hw i l lp r o v i d et h e o r e t i c a ls u p p o r t a n dt e c h n o l o g ya s s u r a n c ef o rb r e a k t h r o u g ho fc o r et e c h n o l o g yf o rr f i dt a gc h i pa n d c o n s t r u c t i o no fi n t e r n e to ft h i n g s ( 1 0 t ) i nn e x t - g e n e r a t i o n k e yw o r d s ：m i c r o c o n t r o l l e r ；r f i d ；s m a r tc a r d ；v e r i l o g ；s o c i v 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期 ： 年月 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：导师签名 日期 ： 年月日日期：年月日 第l 章绪论 1 1 研究背景及意义 1 1 1 研究背景 第1 章绪论 微控制器( m i c r o c o n t r o l l e r , m c u ) 自1 9 7 6 年面世，至今已有3 0 多年的历史。 在此期间，微控制器共经历了三个发展阶段。 第一阶段为单片微型计算机阶段：主要寻求单片形态嵌入式系统的体系结构。 这一阶段的微控制器主要以i n t e l 公司的m c s 5 1 为代表。 第二阶段为微控制器阶段：主要技术发展方向是为满足嵌入式应用，不断增 强其控制能力，加入各种外围设备和接口电路。 第三阶段为s o c 阶段：集成电路的规模不断扩大，使得复杂系统集成在单 个芯片上成为可能。在微控制器中可加入新型接口，如控制器局域网( l a n ) 、通 用串行总线( u s b ) 、蓝牙、j t a g 等多种通讯串口；集成多种外设，许多原有外围 扩展的功能模块逐步集成到片内，实现串行接口为主的外围扩展模式，简化应用 系统设计，并增加系统的可靠性。s o c ( s y s t e m o n c h i p ，片上系统) 将多种复杂 系统集成到单个硅片上，使整体系统的成本得以降低，性能和稳定性得到提升， 深受用户欢迎。在目前的s o c 芯片设计中，8 位微控制器更是被广泛采用。m c s 5 1 因其面世时间长，应用范围广，一更成为了微控制器核的首选。p h i l i p s 等厂商均己 推出各自的m c s 5 1 系列的s o c 芯片，x i l i n x 、a l t e r a 等可编程器件厂商也分别推 出了在可编程器件上应用的m c s 5 1 兼容型微控制器软核【1 l 。 目前应用数量最大的微控制器是8 位微控制器，也是目前最多公司致力耕耘 的市场，市场及价格竞争都极为激烈，各种多功能需求以及不同规格产品的推陈 出新也极为快速。在集成电路领域，压控型c m o s 电路结构带来低电压低功耗 的优势。在微控制器上应用了主流的c m o s 工艺技术后，能够实现与功耗相关的 最大静态化、多电源、时钟系统与电源系统的设计。目前的微控制器的工作频率 1 也得到了大幅提升，从i o m h z 左右上升到了3 0 i o o m h z ，i o 端口从固定模式发 展到用户可配置模式。 1 1 2 研究意义 r f i d 是r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n 的缩写，即射频识别技术。r f i d 是一 种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据， 识别过程无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。r f i d 技术可识别高速运动物 体并可同时识别多个电子标签，操作快捷方便。 智能卡( s m a r tc a r d ) 是一种内嵌有集成电路芯片的塑料卡的通称。按所嵌 入芯片的不同类型，i c 卡可分为三类：存储卡，逻辑加密卡和c p u 卡，但只有 c p u 卡才算是真正意义的智能卡。智能卡( c p u 卡) 内的集成电路包括中央处理 器( c p u ) 、可编程只读存储器e e p r o m 、随机存储器r a m 和固化在只读存储器 r o m 中的片上操作系统c o s ( c h i po p e r a t i n gs y s t e m ) 。一般采用集成有c p u 、存储 器和外设的微控制器作为智能卡芯片的总控制单元。 微控制器( m c u ，m i c r oc o n t r o lu n i t ) ，是指随着大规模集成电路的出现及其 发展，将计算机的c p u 、r a m 、r o m 、定时计数器和多种i o 接口集成在一片芯 片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。 r f i d 智能卡则是将r f i d 技术融入智能卡中，又称为非接触式智能卡。其特 点是智能卡与读卡设备无电路接触，通过非接触式的读写技术( r f i d 技术) 进 行读写。r f i d 智能卡芯片内含微处理器或微控制器，一般采用兼容m c s 5 1 指令 集的微控制器作为其总控制单元【2 】。但一般的微控制器核难以担当此任，因为 r f i d 智能卡芯片对微控制器有比较苛刻的要求： 执行效率高：智能卡芯片高性能依赖于微控制器的指令执行效率的提高； 运行功耗低：使由射频接口感应的电源能够足以供芯片正常工作； 扩展能力强：使智能卡内部的加密协处理器、随机数发生器、数据收发 模块等外设能方便快捷的扩展到微控制器总线上； 2 第1 章绪论 芯片面积小：智能卡芯片的产业化要求微控制器成本低，即要求芯片实 现面积小。 现有的众多兼容m c s 5 1 指令集的微控制器核，如o r e g a n o 公司的m c 8 0 5 1 3 1 ， o p e n c o r e 组织的t 5 1 4 、o c 8 0 5 1 5 1 等，通常不能满足或不能全部满足上述要求。 因此，现有的m c s 5 1 兼容型微控制器的难以直接应用于r f i d 智能卡芯片领域。 为了克服现有m c s 5 1 兼容型微控制器的不足，本文设计和实现了一种指令 集与m c s 一5 1 完全兼容的微控制器，它具备执行效率高，运行功耗低，扩展能力 强，芯片面积小等优点，兼能满足上述条件，可直接应用于无源r f i d 智能卡芯 片领域。 本论文课题来源于国家自然科学基金重点项目、广州市花都区产学研重点项 目- f 氐成本r f i d s o c 标签芯片s c l 0 0 0 的研制与产业化，项目的研究成果将为 r f i d 标签芯片核心技术的突破和新一代物联网的建设提供理论支撑和技术保障。 本文设计和实现的微控制器核是该r f i d 标签芯片的核心组成部分，它通过装载 其片上操作系统( c o s ) 来完成对芯片各功能模块的调用与控制、以及实现传输 协议和命令交易流程。 1 2 论文课题的研究工作 本文所属的研究项目是低成本r f i d s o c 标签芯片s c l 0 0 0 的研制与产业化， 主要研究工作是设计和实现r f i d 智能卡芯片，其系统结构框图如图1 - 1 所示。 芯片共分为4 大部分，分别是模拟前端、数字基带、微控制器与存储器和安全处 理单元。 3 m c u & m e m o r y e e p r o m r o m l i r a m 罔冈 c p u i reg一竺j到ba 介彳彳彳彳彳 之 a n a l o g d i g i t a l f r o n t - e n d b a s e b a n d m c m r 。w e r 0 m o d d e m m l l1 p a ra a n t i u a r t 叫 m a p p i n g、叫 c o l l i s i o n c l o c k h lm a n | c r c 图1 - 1r f i d 智能卡芯片系统结构图 模拟前端是r f i d 智能卡芯片与外界的通讯接口，它将阅读器天线产生的电 磁场信号耦合进来，为标签芯片提供能量和数据。模拟前端包括电源产生、数据 调制解调、时钟产生电路、复位控制、高低频检测等模块。数字基带主要包括状 态机、编码解码、校验、防冲突等模块，实现命令解码、数据校验，以及与模拟 前端和微控制器的数据交换，从而完成协议所规定的功能。安全处理单元由3 d e s 加密协处理器和随机数发生器组成，主要完成数据加密和安全认证功能。存储器 采用r a m 、r o m 和e e p r o m ，实现对用户数据和程序的存储，可以根据具体要 求进行读写操作。微控制器则是芯片的总控制单元，它通过装载其片上操作系统 ( c o s ) 来完成对芯片各功能模块的调用与控制、以及实现传输协议和命令交易 流程。 本课题研究一种基于i s 0 1 4 4 4 3t y p ea 协议的r f i d 智能卡芯片微控制器， 它全面兼容m c s 一5 1 系列指令集，同时拥有比标准8 0 5 1 更高的指令执行效率和 更低的系统运行功耗。本课题提出了一系列优化设计方法来提高微控制器性能， 同时尽可能降低芯片实现成本和运行功耗，主要包括：采用功能模块复用方法， 优化微控制器系统结构以降低芯片面积和实现成本；设计全新的高效总线时序， 提高微控制器的指令执行效率；采用门控时钟等技术来降低系统运行功耗；提出 基于双总线外设扩展方案，增强微控制器扩展能力。 4 一 l 2一 吾 菁 第l 章绪论 本文采用自项向下的数字系统设计方法，对微控制器各个模块逐层细化，在 q u a r t u s 集成开发环境下通过v e r i l o gh d l 语言完成算术逻辑单元、程序计数器、 特殊功能寄存器、译码控制器、定时计数器、中断等模块的设计，通过m o d e l s i m 进行模块仿真和系统仿真，仿真通过后将整个设计在a l t e r a 公司的f p g a 器件上 进行综合，布局布线和物理验证。经f p g a 物理验证成功之后，将该微控制器核 成功应用在新一代r f i d 智能卡芯片中，并采用s m i co 1 8 u me e p r o m 工艺对整个 设计进行综合、版图设计和时序仿真，并最终成功实现流片，芯片测试结果达到 预期效果。 本课题依托2 0 0 9 年国家自然科学基金重点项目、广州市花都区产学研重点 项目，其研究成果将为r f i d 标签芯片核心技术的突破和新一代物联网的建设提 供理论支撑和技术保证。 1 3 论文结构安排 本文共分7 章。第1 章是绪论，介绍论文的研究背景与意义以及论文课题的 主要内容；第2 章是对r f i d 、智能卡的概述以及s o c 设计与验证流程的介绍， 研究基于m c u 的s o c 软硬件协同设计与验证流程；第3 章是m c u 体系结构设 计，提出一种适合于r f i d 智能卡的m c u 体系架构，具有低成本，低功耗，高效 率，易扩展等突出优点；第4 章是m c u 各功能模块设计，详述了算术逻辑单元， 译码控制器，状态发生器，特殊功能集成器，取指令单元，程序计数器等重要功 能模块的设计过程；第5 章介绍m c u 的扩展设计，包括存储器和外设的扩展设 计，并创新性地提出了双总线扩展方法；第6 章是系统的仿真与验证，阐述了系 统的验证流程，并对m c u 进行了功能仿真和f p g a 原型验证，并在综合和版图 设计之后进行时序仿真；最后，第7 章是总结与展望，总结全文并提出进一步完 善m c u 设计的方向。 5 第2 章r f id 智能卡及s o c 概述 2 1r f i d 技术及其系统组成 2 1 1r f i d 技术介绍 近年来，随着大规模集成电路、网络通信、信息安全等技术的发展，r f i d ( r a d i o f r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 射频识别技术已进入商业化应用阶段。r f i d 技术具有高 速移动物体识别、多目标识别和非接触识别等特点，已显示出巨大的发展潜力与 应用空间，被认为是2 1 世纪最有发展前途的信息技术之一。 r f i d 技术是一种非接触式的自动识别技术，是利用射频信号和空间耦合( 电 感或电磁耦合) 传输特性，实现对被识别物体的自动识别。射频识别系统主要由 阅读器、天线和电子标签三部分组成，数据存储在电子标签中，当电子标签进入 阅读器有效作用距离内双方即可按照特定的协议进行通信。r f i d 技术涉及信息、 制造、材料等诸多高技术领域，涵盖芯片设计与制造、天线设计与制造、标签封 装、系统集成、信息安全等技术。 2 1 2r f i d 系统组成 射频识别技术系统一般由三个部分组成：电子标签( t a g ) 、阅读器( r e a d e r ) 和 天线( a n t e n n a ) ，系统组成如图2 1 所示。电子标签中一般保存有约定格式的数据， 在实际应用中，电子标签附着在待识别物体上；阅读器又称为读写机具，可无接 触地读取并识别电子标签中所保存的数据，从而达到自动识别物体的目的。阅读 器是读写电子标签信息的设备，主要任务是控制射频模块向标签发射读取或写入 信号，并接收标签的应答，对标签的对象标识信息进行解码，将对象标识信息连 带标签上其它相关信息传输到主机以待处理。阅读器包括高频模块( 发送接收器) 、 m c u 控制模块、以及与电子标签连接的耦合元件( 收发天线) 。此外，阅读器还 具有与计算机连接的通信端口，以将读取的信息送往计算机处理或者从计算机获 6 第2 章r f i d 智能卡及s o c 概述 得要写入电子标签的数据。射频识别系统的耦合元件是天线，主要有线圈型、微 带贴片型、偶极子型三种基本形式的天线。其中工作距离小于lm 的r f i d 天线 一般采用工艺简单、成本低的线圈型天线，它们主要工作在中高频段；而l m 以 上的远距离r f i d 系统一般采用微带贴片型或偶极子型天线，它们各自在超高频 及微波频段嘲。 射频识别阅读器 枣一 耦合元件、天线 图2 一lr f i d 系统组成图 一个r f i d 系统的性能主要由以下几方面来衡量：工作距离、读写速度、可 靠性、兼容性和成本。这几个方面一般受到电磁特性、无线电规则、通信协议、 物理实现等具体因素的限制，而且这些因素之间又是相互制约的。 r f i d 系统的工作过程，实际就是电子标签与阅读器之间通过天线进行数据 交互的过程。r f i d 系统的基本工作流程是 7 1 ： ( 1 ) 阅读器通过天线发送一定频率的信号，当电子标签进入发射天线工作 区域时产生感应电流，电子标签获得能量被激活； ( 2 ) 电子标签将自身编码等信息通过发送天线发送出去； ( 3 ) 系统接收天线接收到从电子标签发送来的载波信号，经天线调节器传 送到阅读器，阅读器对接收的信号进行解调和解码后送入主系统进行相关处理； 7 ( 4 ) 主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设定做出相应的 处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作。 r f i d 系统工作过程中，空间传输通道中发生的过程可归结为数据时序和能 量三种事件模型： ( 1 ) 数据交换是目的； ( 2 ) 时序是数据交换的实现方式； ( 3 ) 能量是时序得以实现的基础。 2 2 智能卡概述 智能卡的名称来源于英文名词“s m a r t c a r d ”，又称集成电路卡或i c 卡 ( i n t e g r a t e dc i r c u i tc a r d ) 。它将一个集成电路芯片镶嵌于塑料基片中，封装成卡的 形式，其外形与覆盖磁条的磁卡相似。i c 卡的概念是7 0 年代初提出来的，法国 布尔( b u l l ) 公司于1 9 7 6 年首先创造出l c 卡产品，并将这项技术应用到众多行业， 将微电子技术和计算机技术结合在一起，提高了人们生活和工作的现代化程度。 2 2 1 智能卡的分类 智能卡芯片具有存储数据和读取数据的能力，i c 卡存储器中的内容根据需要 可以有条件地供外部读取，或供内部信息处理和判定之用。根据卡中内嵌的集成 电路的不同可将智能卡分成以下三类： 存储器卡：卡中的集成电路为e e p r o m ( 可电擦除的可编程只读存储器) ； 逻辑加密卡：卡中的集成电路具有加密逻辑和e e p r o m ； c p u 卡：卡中的集成电路包括中央处理器c p u 、e e p r o m 、随机存储器 r a m 以及固化在只读存储器r o m 中的片内操作系统c o s ( c h i po p e r a t i n g s y s t e m ) 。严格来说只有c p u 卡才是真正意义上的智能卡嘲。 按应用领域来分，i c 卡分为金融卡和非金融卡两种。金融卡又分为信用卡 究 第2 章r f i d 智能卡及s o c 概述 ( c r e d i tc a r d ) 和现金卡( d e b i tc a r d ) 等。信用卡主要由银行发行和管理，持卡人用它 作为消费时的支付工具，可以使用预先设定的透支限额资金。现金卡可用作电子 存折和电子钱包，不允许透支。非金融卡往往出现在各种事物管理、安全管理场 所，如身份证明、健康记录和职工考勤等。 按卡与外界数据传送的形式来分，有接触式i c 卡、非接触式l c 卡和双界面 l c 卡三种。最初使用的是接触式l c 卡，在这种卡片上，l c 芯片有8 个触点可与 外界接触。非接触式i c 卡的集成电路不向外引出触点，通过射频收发电路和天 线来与阅读器进行数据和能量的传输【9 】。而双界面卡则兼具有触电和射频收发电 路，可通过任意一条信道传输数据和能量【1 0 】。 2 2 2 智能卡芯片技术特点 智能卡具有很高的数据处理能力、计算能力及较大的存储容量，尤其是智能 卡完善的安全技术机制及面向应用编程良好的适应性及灵活性，自出现以来就受 到有关应用领域的极大关注与青睐。 智能卡非常适合于对数据安全性及可靠性要求十分敏感的应用领域，目前， 金融领域的信用卡、电信领域的s i m 卡( 移动电话身份识别卡) 等已成为智能卡应 用的几个最大的领域。此外，由智能卡支持并代表的一卡多用多功能卡) 概念越 来越受到人们的关注。在我国，随着金卡工程等一系列卡基应用工程的快速实施， 智能卡必将在其中扮演极为重要的角色。展望未来，智能卡的发展及应用必将深 入社会生活的各个领域，人们必将不断感悟并享受到智能卡带来的便利、安全、 快捷等一系列优质服务。 智能卡芯片的性能指标在很大程度上决定了智能卡的性能特点。智能卡芯片 内部集成有微处理器、r o m 、r a m 、e e p r o m 、安全逻辑、密码运算协处理器等 一系列功能部件，智能卡芯片的功能取决于这些功能部件的设置及其功能的强弱。 从这一角度出发，智能卡芯片可以分为以下三种类型。 普通智能卡芯片： 内部仅设置一些通用标准部件如微处理器、r o m 、r a m 、e e p r o m 和简单的 9 安全逻辑等，并且每一部件的功能也较为简单。此种l c 芯片的安全性适中、价 格相对便宜，应用开发较为简单，比较适合于中等安全规模的智能卡的应用。 增强智能卡芯片： 内部除设置一般通用标准部件外，还设置加密运算协处理器( c a u ) 及增强型 的安全逻辑等，其余部件的功能也有相应的加强，其中c a u 多支持如3 d e s 的对 称密码算法。另外，此种芯片在制造上也采取了一些硬件安全保护措施。此种i c 芯片的安全性较高、价格相对较贵，应用开发较为复杂，比较适合于安全性要求 较高的智能卡应用。 高级智能i c 芯片： 内部除设置一般通用标准部件外，还设置高性能的c a u 及安全逻辑等，其 余部件的功能也经专门设计而有大幅提高，其中c a u 多支持如r s a 的非对称密 码算法。另外，此种芯片在制造上采取了较高的硬件安全保护措施，并且在安全 生产管理上也十分周密、严格，即使很小缺陷的芯片也必须进行登记、销毁等处 理。可以认为，此种芯片在软i 管理等) 硬( 设计、制造) 两方面条件的保证下，具 有十分高的安全性、可靠性等技术性能。当然，其价格也较贵，应用开发更为复 杂，非常适合于高安全性的应用领域。 2 3s o c 设计方法 从2 0 世纪9 0 年代中期开始，集成电路的发展逐渐进入s o c 阶段。专用集 成电路的集成度和复杂性的提高迫使设计者利用i p 核进行设计复用，而且也是 i c 中关于系统的概念从单纯的硬件扩展为硬件与软件的结合体，即系统是任何由 硬件、软件或者两者的结合所构成的功能设备。s o c 的设计从根本上来说是一个 通过设计复用达到高生产率的硬件软件协同设计的过程【1 1 1 。 一般来说，s o c 的普遍特征是实现复杂系统功能的超大规模集成电路、采用 超深亚微米( 纳米) 的工艺技术、使用一个或者多个嵌入式c p u 或数字信号处 理器( d s p ) 、具有外部对芯片进行编程的功能以及主要采用第三方的i p 核进行 设计【1 2 1 。具有这些特征中的任意一个或者几个的i c 都可以称为s o c 。 】0 第2 章r f i d 智能卡及s o c 概述 目前，s o c 的设计技术和自动化设计工具正在发展中，它将在现有的e d a 技术基础上发展，除了要解决深亚微米和纳米的i c 设计所面临的诸多问题之外， 还要解决i p 核生成、复用和知识产权保护问题以及硬件软件协同设计等一系列 上层设计难题。 硬、软件协同设计是s o c 设计的关键。这方面的发展的理论体系包括系统 任务描述( s y s t e mt a s kd e s c r i p t i o n ) 、软硬件划分( h a r d w a r e s o f t w a r ep a r t i t i o n ) 、 软硬件协同设计( h a r d w a r e s o f t w a r ec o - d e s i g n ) 和软硬件协同验证 ( h a r d w a r e s o f t w a r ec o v e r i f i c a t i o n ) 等【1 3 1 。 2 3 1s o c 结构 在所有s o c 的设计中，预先设计的l p 核是基本的功能部件。系统芯片由各 种满足功能的嵌入式核组合而成。这些核包括微处理器、大型存储器阵列、音频 和视频控制器、调制调解器、因特网调谐器、d s p 功能模块等。这些l p 核通常 是以软核、固核和硬核的形式出现的。 ( 1 )软核( s o f t c o r e ) 软核是可综合的r t l 描述( 即硬件描述语言) 或者通用库元件的网表形式表 示的可复用模块。它的特点是不依赖于任何实现工艺，使用灵活，而且由于拥有 模块的全部源代码，便于修改。但是，软核用户必须往常从描述语言到某一个工 艺实现版图的转换，这限制了它立即在s o c 设计中的使用，也限制了性能、功 耗和面积的优化。 ( 2 ) 硬核( h a r d c o r e ) 硬核是指在性能、功耗和面积上经过优化，并在特定生产工艺经过流片验证 的可复用模块。它们以完整的布局布线后的网表或某种格式的版图形式表示。它 的特点是性能已优化，但工艺已确定，灵活性较小，其固定的版图形状给其它模 块的布局布线带来困难，当工艺发生改变时硬核便无法再使用。 ( 3 )固核( f i r m c o r e ) 1 1 固核是指在结构和拓扑方面针对性能和面积通过版图规划甚至可能用某种 工艺技术进行过优化的可复用模块。它们以综合后的代码或者以库元件的网表形 式表示。为了保护i p 核的内容，它是以经过加密或者抽象化的黑盒子形式提供 给用户的，使用这种模块的灵活性介于软核与硬核之间。用户在使用时，对其面 积和性能是预知的，可以通过一定的布局方案像软核一样灵活地进行布局布线m l 。 2 3 2s o c 设计流程 大部分a s i c 和e d a 公司按照从l p 核的设计到整个s o c 的设计过程制定了设 计流程并将设计方法标准化。其中，v s i 联盟的规范描述了s o c 的设计思想和设 计流程，如图2 2 所示，图中的虚拟部件v c ( v i r t u a lc o m p o n e n t ) ，可以是硬件 i p 核，也可以是软件程序。 s o c 设计时所面临的主要挑战是，对r t l 级以上的更为抽象的系统级进行功 能描述和仿真。设计流程图表明，要高效的完成s o c 的设计，需要能够完成从 制定系统设计要求直到芯片级集成前的物理设计的设计工程师。由于前端和后端 的设计密不可分以及物理综合向更高的抽象层次移动，要对复杂模块进行版图后 的时序功能验证，这样的纵向集成是必需的。这能避免在整个设计完成后再发现 和处理模块宽长比、时序、布线甚至结构和面积与性能折衷等方面出现的问题【巧1 。 第2 章r f i d 智能卡及s o c 概述 设计漉程 产生 验证流程系统需求 行为模型统建嗣上 仿真模型 叫i 测试基准 罱甲： 数据表 l系统设计卜 _ 一 总线 l、p 厂飞万 r - 一 总线功能模型 l 功能验证 i 功能验证l 7 i 1r r r t l 设计i - 一 r t l 开关驱动 十r t l 设t t 宁静 功能测试 每幽 印制板 软件仿真 测试基准 综合脚本 时序模型 门级 版图规划外壳 设计 设计原型 i 堕鳇墅堡l门级网表 h 布线 1 * o a 6 二：c 时序外壳 i 耻日e= 一 时钟 功耗外壳 布线l + 互联模型 布局布线外壳 测试向量 叫| 最终验证、r 倒 ； 故障覆盖 i 系统集成l i 互镕毫i 1 i ：! 兰1 1 图2 2v s i 联盟的s o c 设计流程 2 4s o c 软硬件协同验证 s o c 不仅在规模上与传统芯片有着很大的差别，而且在设计方法上也有着本 质的不同，在s o c 设计中，不仅包含大量的硬件电路设计，而且包含了相当部 分的软件设计。因此，s o c 在验证时更为重要的是需要通过软硬件协同验证来 确保s o c 功能的正确性。由于s o c 设计是一种横向集成的设计，它包含了i p 设 计和系统集成，即将一个系统划分成若干模块，然后再将这若干经过验证的模块 集成起来形成系统的过程。基于这种层次性设计的考虑，s o c 的验证策略采用分 而治之的方法。该策略包括以下步骤： 验证设计的叶节点( 最低级别的i p ) ，作为单独单元是功能正确的； 验证模块问的接口是功能正确的，先后分别从事务类型和数据内容两方 面进行验证； 在全芯片运行一组复杂度逐渐提高的应用程序； 建立全芯片原型，运行全套应用软件作为最后验证； 决定芯片投片( t a p eo u t ) 的适当时机。 s o c 的一个重要特征，就是集成了嵌入式处理器核。于是，基于c p u 的软件 就成了s o c 必不可少的重要组成部分。从系统的角度来看，硬件和软件无非是 实现形式的不同方式。系统的各个组成部分，硬件可以实现的，软件或许也可以 实现，而且软件实现或许会更加灵活。现在的数字芯片系统设计，其过程一般是 系统的预研，各功能模块( 包括软件、硬件) 的划分，具体模块的实现，然后是 各个模块的集合、验证。按照传统的方法，硬件部分和软件部分各自分开验证其 功能是否正确，也就是说，它们的验证不在同一个环境之下。这种方法存在很多 缺点。首先，硬件和软件部分必须根据系统要求，建立各自的验证环境，这必然 导致两个验证环境的不一致性；同时，额外增加了硬件模拟软件环境和软件模拟 硬件环境的仿真模型；另外，仿真模型与实际代码的差异，可能导致最后整合时 产生不可预期的错误。软硬件协同验证，则在最大程度上解决了分开验证的缺点， 使软件和硬件能够尽早协同运作，让软件调试和硬件调试在同一时间进行，及时 发现软件和硬件设计中存在的错误【1 目。典型的软硬件协同验证的平台结构如图 2 3 所示。 1 4 图2 - 3 软硬件协同验证平台结构框图 第2 章r f i d 智能卡及s o c 概述 在这样的验证环境中，实际的应用软件通过编译器生成目标代码，并被存放 到存储器模型中。芯核通过存储控制模块读入目标代码并执行，从而产生期望的 系统行为。在这种系统验证平台中，芯核和存储器一般采用行为模型或指令集结 构( i s ai n s t r u c t i o ns e ta r c h i t e c t u r e ) 模型，而其它的硬件模块一般采用r t l 描述。 i s a 模型一般用c 语言开发，它直接针对芯核的指令集进行准确建模，而忽略它 们的具体实现细节。在s o c 验证环境中，采用i s a 模型比采用纯r t l 模型要快好 几个数量级。这是因为在一般的s o c 设计中，系统运行时间大部分都用在芯核 上，要么是执行指令，要么是从存储器读出数据或向存储器写入数据。由于采用 抽象的描述，系统的仿真速度可得到显著的提耐1 7 1 。 2 5 小结 r f i d 智能卡技术成功地将射频识别技术与s o c 芯片技术融合，解决了无源 标签芯片内能量来源和信号的无线传输两大难题，是电子器件领域的一大突破。 本章对r f i d 智能卡芯片所涉及的软、硬件基础进行了详细的研究与探讨，并对 r f i d 技术、r f i d 系统组成、智能卡芯片、s o c 设计流程及s o c 软硬件协同验证 等方面进行了阐述。 第3 章m c u 体系结构设计 3 1m c u 体系结构 目前m c u 体系结构主要分为两种，冯诺依曼结构和哈佛结构【1 8 1 。冯诺依曼 结构的m c u 在同一存储空间取指令和数据，两者分时复用同一总线，以致工作 带宽受到限制，控制电路结构复杂，运行功耗较大；而哈佛结构的m c u ，指令 和数据的存储空间完全分开，两者可同时访问，从而简化控制电路结构，并提高 数据的吞吐率【1 9 l 。基于哈佛结构的诸多优点，本文采用此种方案设计m c u 体系 结构。 3 2 系统架构及模块划分 本文设计的m c u 主要由状态发生器、程序计数器、取指令单元、译码控制 器、算术逻辑单元、特殊功能寄存器、定时计数器和中断控制器组成，其系统构 架图如图3 - 1 所示。m c u 的基本工作流程为：取指令单元根据程序计数器提供的 地址信号从程序存储器中取出指令并存入指令寄存器中，译码控制器根据状态发 生器产生的4 种不同状态周期，对指令寄存器中的指令进行译码，译码之后从存 储器或特殊功能寄存器中取出操作数，并控制算术逻辑单元对操作数进行相关的 算术或逻辑运算，最后将运算的结果写回存储器或特殊功能寄存器。 1 6 第3 章m c i j 体系结构设计 图3 1 微控制器系统构架框图 。微控制器核全部采用v e r i l o gh d l 2 0 1 编写，为具有较好可重用性的i p 软核。 整个