（微电子学与固体电子学专业论文）低功耗双界面cpu智能卡芯片的研究与设计.pdf

摘要 摘要 目前智能卡根据卡中的集成电路不同可大体分为逻辑加密卡和c p u 卡。我国 市场上最常见的i c 卡是逻辑加密卡，这类i c 卡凭借较高的性价比得到了广大用户 的青睐，并己被广泛应用于公交、医疗、校园一卡通，门禁等领域。由于逻辑加 密卡芯片采用的是流密码技术，密钥长度也不是很长，普遍存在着较大的安全隐 患，有被黑客破解的可能。在金融、身份识别、电子护照等对安全要求比较高的 领域目前更倾向于使用内嵌微处理器的c p u 卡芯片。 c p u 卡芯片比逻辑加密卡具有更高的安全性，内部有双重安全机制，第一重 是芯片本身集成的加密算法模块；第二重保护则是c p u 卡芯片特有的c o s ( c h i p o p e r a t i n gs y s t e m ) 系统。除此以外，c p u 卡可以实现真正的一卡多用。但是c p u 卡芯片比逻辑加密卡芯片设计更复杂，特别是接触式、非接触式双重应用的双界 面智能卡芯片设计难度则更大。研制出低功耗高可靠性的双界面c p u 卡芯片，己 成为国内外智能卡芯片研发机构的工作重点和主攻方向。本论文根据双界面智能 卡芯片的应用需求，在低功耗方面开展了针对性的研究。 在双界面智能卡系统架构的基础上，论文针对非接触应用条件下对低功耗要 求的特殊性，采用了低功耗管理、具体电路结构等不同层级总共九种有效低功耗 设计方法来降低芯片的峰值功耗，并对功耗仿真结果进行了详细比较。 接着论文首次提出了一种能够根据系统实际运行的负载情况以及能量耦合 情况自动调节无源芯片工作频率的方法，即动态频率调整( d y n a m i cf r e q u e n c y s c a l i n g ) 方法。使用该方法后，使得智能卡芯片在非接触应用时，工作距离比不 使用该方法( 四分频) 至少延长了2 厘米：在相同耦合距离的条件下，同采用固 定频率( 八分频) 相比，平均交易时间缩短了1 8 。 论文又详细地介绍了在智能卡芯片设计中，异步电路设计方法相较于同步电 路设计方法的巨大优势，并且应用专门描述异步电路的b a l s a 语言和用于同步电 路描述的v e r i l o g i 吾言分别实现 d e s 算法的四相捆绑数据协议的异步电路设计， 然后和采用同步电路设计方法的d e s 算法模块相比较，证明了这两种异步电路设 计方法的有效性，以及在低功耗上的优势。 最后论文描述了芯片测试情况，测试了在接触式和非接触式不同应用条件下 的交易时间。在两种应用条件下，通过对交易过程中命令的分解，理论推导了交 易时间并和仿真结果和芯片的实测结果进行了对比，结果表明芯片的功能和交易 速度性能完全符合设计的要求。 关键字：接触式、非接触式、双界面智能卡、低功耗、动态频率调节、异步电路 中图分类号：t n 4 ；t n 9 2 a b s t r a c t a b s t r a c t c u r r e n t l ys m a r tc a r dc a nb ec a t e g o r i z e di n t ot w om a j o rt y p e s ：l o g i ce n e r y p tc a r da n d c p uc a r d t h em o s tc o m m o ni cc a r di nc i v i lm a r k e ti sl o g i ce n c r y p tc a r d t h et y p eo fi c c a r di sv e r yw e l c o m et ot h ec u s t o m e r sd u et oi t sh i g hp e r f o r m a n c ep r i c er a t i o ，a n di ti sw i d e l y u s e di np u b l i ct r a n s p o r t a t i o n , m e d i c i n e ，o n ec a r do nc a m p u s ，e n 缸 d r l c eg u a r da n ds oo n b u t t h el o g i cc a r du s e st h es t r e a me n c r y p t i o nm e t h o da n di t ss e c r e tk e yi sv e r ys h o r t , i tc a nb e c r a c k e db yh a c k se a s i l y t h ea p p l i c a t i o na r e a ss u c ha sf i n a n c e ，i d e n t i f yc e r t i f i e x t , e l e c t r o n i c p a s s p o r tc h o o s et h ec p us m a r tc a r d si n s t e a do fl o g i cc a r d s c p uc a r dc h i ph a sd u a ls e c u r i t ym e c h a n i s m s o n ei st h ec h i pi t s e l fi n t e g r a t e st h e e n c r y p t i o na l g o r i t h mm o d u l e ，t h eo t h e ri si t ss p e c i f i cc o s ( c h i po p e r a t i o ns y s t e m ) t h o u g h t h ec p uc a r dc a l li n d e e dr e a l i z em u l t i - a p p l i c a t i o n ，i t sd e s i g ni sm o r ec o m p l e xt h a nt h en o r m a l l o g i cc a r dc h i p ，w i t h o u ts a y i n gt h ed u a l i n t e r f a c ec p us m a r tc a r dc h i p m a n yr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n ti n s t i t u t i o n sa r ef o c u s i n go ne x p l o i t i n gt h ec h i pd e s i g n t h ep a p e rm a k e sl o t so f r e s e a r c ht or e a l i z et h ee f f e c t i v el o wp o w e rd e s i g nf o rt h i ss m a r tc a r dc h i p f i r s t l y , t h ep a p e rd e s c r i b e st h es p e c i a ll o wp o w e rr e q u i r e m e n ta n dc h a l l e n g eb yt h e e o n t a c t l e s sa p p l i c a t i o na n dp r e s e n t sn i n ee f f e c i t i v el o w p o w e rd e s i g nm e t h o d st ol o w e rt h e a v e r a g ep o w e ra n dp e a kp o w e rf o rb o t ho fc o n t a c t l e s sa n dc o n t a c ta p p l i c a t i o n sf r o m a r c h i t e c t u r el e v e l ，c i r c u i ts t r u c t u r el e v e la n ds o f t w a r e h a r d w a r ec o m b i n a t i o nl e v e l 1 n h ep a p e rp r e s e n t sac r e a t i v em e t h o dt oa u t o m a t i c a l l ya d j u s tt h ew o r k i n gf r e q u e n c y a c c o r d i n gt os m a r tc a r dr e a lo p e r a t i o nl o a df o rt h ef i r s tt i m e ，w ec a l li t 笛d f s ( d y n a m i c f r e q u e n c ys c a l i n g ) m e t h o dw h i c hi ss p e c i a l l yu s e df o rt h ep a s s i v ed e v i c e s t h et e s tr e s u l t s h o w st h a tt h el o n g e s tc o m m u n i c a t i o nd i s t a n c ei si m p r o v e df r o m6 c mt o8 锄c o m p a r e dt o t h es a m es m a r tc a r dc h i pu s i n gt h ef i x e df r e q u e n c yd i v i d e db y4a n dt h et r a n s a c t i o nt i m ei s s a v e db y18 i na v e r a g e ，c o m p a r e dt ot h es a m ec h i pu s i n gt h e6 x e df r e q u e n c yd i v i d e db yg t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ea s y n c h r o n o u sc i r c u i t sd e s i g nm e t h o di nd e t a i l b yu s i n gb a l s a l a n g u a g ea n dv e r i l o gl a n g u a e ，w er e a l i z et h ed e sa s y n c h r o u sc i r c u i td e s i g nb a s e do nt h e f o u r - p h a s eb u n d l e d - d a t ap r o t o c 0 1 t h et e s tr e s u l t sc o n f i r mt h er i g h t n e s so ft h ea s y n c h r o n o u s d e s i g nm e t h o da n di t ss u p e r i o r i t yi nt h el o wp o w e rd e s i g nf o rt h es m a r tc a r d f i n a l l y , t h ep a p e rg i v e st h et e s tr e s u l to ft h er e a lc h i pa n dc o m p a r e st h et r a n s c a t i o nt i m e a m o n gc a l c u l a t i o n ，s i m u l a t i o na n dt e s tr e s u l t s i ts h o w st h ec h i ph a sg o o dp e r f o r m a n c ef o r b o t ho f t h et r a n s a c t i o nt i m ea n dt h ec o m m u n i c a t i o nd i s t a n c ei nc o n t a c t l e s sa p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：c o n t a c t , c o n t a c t l e s s ，d u a l - i n t e r f a c es m a r tc a r d ，l o wp o w e r , d y n a m i cf r e q u e n c y s c a l i n g ，a s y n c h r o n o u sc i r c u i t c l cn u m b e r ：t n 4 ：t n 9 2 第一章前言 第一章前言 1 1 研究背景 i c 卡是通过在一块与信用卡同样大小的塑料基片中嵌入具有存储、加密和数 据处理能力的集成电路芯片而制成的智能卡片，从一般意义上可以将其分为接触 型和非接触型两类【1 】。i c 卡在使用时需要将其插入读卡机中，通过表面上的电 极触点的物理接触来实现命令、数据和卡片状态的传递。非接触型i c 卡在使用时 只要靠近读卡机即可，卡片和读卡机通过无线电波或电磁场感应的方式进行信息 传递【2 】 3 】。大多数非接触型i c 卡的电能也是通过这种方式获得的。一般要求卡 片与外部接口之间的距离在2 至1 j 3 英寸即1 0 厘米之内【4 】。 目前智能i c 卡根据卡中的集成电路不同可大体分为逻辑加密卡和c p u 卡。我 国市场上最常见的i c 卡是逻辑加密卡，这类i c 卡凭借较高的性价比得到了广大用 户的青睐，并已被广泛应用于公交、医疗、校园一卡通，门禁等领域。由于逻辑 加密卡芯片采用的是流密码技术，密钥长度也不是很长，普遍存在着较大的安全 隐患，有被黑客破解的可能。在金融、身份识别、电子护照等对安全要求比较高 的领域目前更倾向于使用内嵌微处理器的c p u 卡芯片。 c p u 卡芯片内部都有双重安全机制【5 】。第一重是芯片本身集成的加密算法模 块，芯片设计公司通常都会将经实践检验最安全的加密算法集成入芯片，目前比 较常见的安全算法有r s a ，3 - d e s 等。第二重保护则是c p u 卡芯片特有的c o s 系 统，c o s 可以为芯片设立多个相互独立的密码，密钥以目录为单位存放，并且有 防火墙功能。同时c o s 内部还设立密码最大重试次数以防止恶意攻击。由此可见， c p u 卡比逻辑加密卡具有更高的安全性。 如果c p u 卡可以同时实现接触式和非接触式应用，则它的应用范围将更加广 泛，市场前景更加不可估量，因此双界面c p u 智能卡芯片代表着卡类芯片的最新 发展方向。除此以外，同时支持接触和非接触应用的双界面c p u 智能卡可以实现 真正的一卡多用，每个应用相互独立并受控于各自的密钥管理系统。不同应用可 以共享一个“钱包”，也可以分别拥有各自的“钱包” 6 】。服务商可以通过使用 c p u 卡进行更加灵活有效的管理，用户也能使用c p u 卡实现多功能应用的需求。 1 2 研究现状 伴随着智能卡技术的逐渐成熟，其应用的范围也越发的广泛，全球智能卡需 求量逐年递增，2 0 1 0 年，全球智能卡出货量达到了6 0 亿张，比2 0 0 9 年增加了1 5 ， 而在这其中，c p u 卡达到了4 9 亿张之多，e 9 2 0 0 9 年增加了2 5 ，在所有智能卡产 3 第一章前言 品中，c p u 卡占据了8 0 ，而存储卡只占2 0 ，但是仅仅在十年前，这个数字还是颠 倒过来的。可见c p u 卡代表了智能卡的发展方向。 c p u 卡分为接触式和非接触式两种。接触式和非接触式卡因其使用环境、信息交 换量的不同而各有利弊。所以随着信息时代的发展，能够满足广泛使用要求的双界面 智能卡( 即支持接触式通讯，又支持非接触式通讯) 成为当前国际上追求的热点。目 前，双界面卡有三种解决方案【7 】：一种是接触与非接触完全独立，仅在物理上复合在 一张卡片上；第二种是接触与非接触彼此独立但共享某些存储空间；最后一种是接触 与非接触运行状态相同，由同一个处理器控制。可以肯定地讲，只有第三种双界面卡 是真正意义上的双界面卡( 如图1 1 所示) 。 图1 1 双界面c p u 智能卡芯片产品 代表世界智能卡发展最新技术的双界面智能卡，无论从技术的先进性，产品使用 的适用性，方便性，合理性，还是从其综合性能价格比，以及发行读写设备投资比较 而言，双界面智能卡较目前较为广泛使用的m i f a r e - o n e 8 ，c o m b i 9 等卡都有着极大的 优势。这些优势体现在应用中的许多方面，如安全性，可靠性，支持一卡多用的多功 能性等。由于这些强大的优势，使双界面智能卡在问世之前，已经被国际上的智能卡 专家们预言将成为智能卡发展的主流产品，事实上，在双界面智能卡问世以来，它确 实正在成为智能卡界的明日之星，多少个智能卡应用行业中存在的这样或那样的问题， 由于双界面智能卡的出现都将迎韧而解。 双界面智能卡包括一个微处理器芯片和一个与微处理器相连的天线线圈。在非接 触条件下，由读写设备产生的电磁场提供能量，卡片本身不需要电池，读写设备能激 活卡片，传输指令、接收卡片信号并加以运算处理。如果不考虑其非接触的功能，它 又是一张符合传统标准和应用习惯的普通c p u 卡，符合i s o i e c 7 8 1 6 1 0 和p b o c 1 1 对 卡片的要求，完全兼容接触式卡片应用系统和读写机具，而且接触方式与非接触方式 受同一个c p u 的控制，共享卡片所有资源( 存储空间、电子钱包、安全机制等) 。 双界面c p u 智能卡的特点 适用于交易量大，交易时间短，交易过程无需等候； 一卡多用，一张卡片实现多个行业应用； 4 第一章前言 自助消费场所，机具全封闭： 机具工作环境适应恶劣，抗破坏和抗干扰能力强； 系统安全性要求高； 卡片防冲突机制，允许多张卡片同时进入交易区； 应用灵活、方便，根据不同应用条件和要求，可任选采用接触或非接触交易方 式： 与传统接触式设备完全兼容；可在其上直接使用； 节约时间、提高效率、降低系统运行和维护费用； 双界面c p u 智能卡可应用领域： 城市一卡通应用； 加油站自动加油系统； 公路桥梁联网自动收费系统； 校园卡( 学籍管理、校园消费和食堂就餐等) ； 居民小区物业管理及消费卡； 企业管理卡； 安全控制和身份识别领域： 其他适合接触式i c 卡和非接触式i c 卡应用的领域等，尤其接触和非接触混合应 用的领域。 ，但是双界面c p u 卡芯片比非接触式或接触式逻辑加密卡芯片设计更复杂，成本相 对较高，而国内市场对价格比较敏感，因此目前国内逻辑加密卡芯片的市场份额更大。 研制出低成本高可靠性的真正意义上的双界面c p u 卡芯片，提高它的性价比已成为国 内智能卡芯片设计公司的工作重点和主攻方向。 1 3 论文贡献 本论文针对双界面c p u 智能卡芯片的设计难点，在芯片的低功耗、可靠性方面开 展了大量的研究。本论文研究的主要内容与贡献包括： 1 ) 详细介绍并分析了双界面c p u 智能卡芯片的工作原理，物理基础，并分析了双界面 智能卡芯片工作时特别是在非接触应用条件下对低功耗的特殊要求及其带来的挑战； 2 ) 提出了针对双界面c p u 智能卡芯片接触式和非接触式双重应用的模式切换，很好地 解决了不同工作模式之间的无缝切换，提高了芯片工作的可靠性和稳定性； 3 ) 针对非接触低功耗的特殊要求，为芯片划分了不同的低功耗工作模式，有效降低了 系统功耗； 4 ) 提出了适用于双界面智能卡的九种不同的低功耗设计方法，这些方法分为三种不同 级别，分为系统架构级、电路结构级和软硬件结合的低功耗设计方法。每种方法都给 第一章前言 出了仿真比较结果，从而证明了这些方法的有效性； 5 1 论文首次提出了动态频率调整方法，并与用于有源的d v f s ( 动态电压频率调整) 方法进行了详细比较。与使用固定频率的情况相比，动态频率调整方法有效地提升了 双界面智能卡芯片在非接触应用条件下的工作距离和平均交易时间； 6 ) 论文实现 d e s 异步电路设计。d e s 异步电路设计采用两种不同的流程和方法，一 种是采用专门用于异步电路设计的b a l s a 语言，另外一种采用v e d l o g 语言来实现异步电 路设计。和同步电路设计相比，异步电路设计大大节省了芯片工作时的平均功耗和功 率( 瞬态功耗) ； 7 ) 论文又详细介绍d i p 封装的芯片测试情况，分析了测试结果。并对接触式应用和非 接触应用的交易时间的理论计算值和仿真值以及实际测试结果进行了对比。得出了采 用上述低功耗电路设计方法的芯片不仅功能正确，而且在交易时间这一智能卡另外一 个重要性能参数上的实际表现也令人满意。 1 4 论文结构 本论文主要章节具体组织结构如下： 第二章“双界面c p u 智能卡芯片的工作原理 对双界面智能卡芯片在接触式和非 接触式应用条件下的物理基础分别进行详细论述；对接触式和非接触式的通信标准协 议层中的数据编码、调制方法进行了概括总结；其次对双界面智能卡的安全性作了详 细说明，而高安全性正是市场急需双界面c p u 智能卡芯片的主要原因之一。 第三章“双界面智能卡芯片的低功耗设计挑战”，首先描述了c m o s 器件的功耗 机理以及常用的低功耗设计方法，在此基础上详细分析了双界面智能卡特别是在非接 触应用条件下对低功耗的特殊要求及其带来的低功耗设计上的挑战，由此，论文提出 了相应的低功耗设计策略，并给出了能量供应和能量消耗分布对比图，本章是后面三 章的理论基础和立足点。 第四章“双界面智能卡芯片的功耗管理”在第三章的基础上，首先对双界面智能 卡芯片的的系统架构和主要组成模块的作用，结构作了简要说明。并对双界面智能卡 中各模块的功耗比例进行了分析，其次对典型交易流程中的功耗变化做了仿真，针对 非接触应用条件下的供能瓶颈，采用了低功耗工作模式，使芯片能够在不同功耗模式 下无缝工作。接着详细介绍了采用两相不交叠时钟来降低时钟翻转时的峰值功耗的功 耗分配方法。同时应用其它低功耗设计手段来降低各个模块的动态功耗和静态功耗。 最后，总结了实际设计芯片时所采用的九种低功耗设计方法。 第五章“动态频率调节电路”首先介绍了在电池驱动或由墙上电源供电的有源器 件中经常采用的动态电压频率调节方法的原理；接着针对双界面智能卡芯片的工作特 第一章前言 点，论文首次提出了用于无源器件的动态频率调整方法。并对该方法进行了测试，运 用此电路我们提高了双界面智能卡芯片在非接触应用条件下的工作距离以及平均交易 时间，获得了很好的效果。 第六章“d e s 算法的异步电路设计”详细介绍了异步电路设计方法，阐述了异步 电路设计方法在双界面智能卡芯片设计中的相较于同步电路设计方法的巨大优势，同 时运用两种异步电路设计方法实现了d e s 模块。并与同步电路设计实现的d e s 模块进行 了比较，从而证明了选用异步电路设计方法的正确性和有效性。 第七章“芯片的测试 主要是对芯片的测试环境和方法进行了简单介绍。并对用 理论推导计算的接触和非接触两种应用条件下的交易处理时间和仿真以及芯片实测结 果进行了对比。同时与国外公司的同类芯片的测试结果进行了对比。 7 第二章双界面c p u 智能卡芯片的工作原理 第二章双界面c p u 智能卡芯片的工作原理 本章从双界面c p u 智能卡芯片的工作原理入手，以电磁场原理为基础，推导了非 接触式应用条件下高频无线能量传输及数据交换的理论以及接触式应用条件下系统工 作的物理基础。同时，对两种应用条件下的数据编码、调制方式和智能卡安全性等方 面进行了分析。 2 1 双界面c p u 智能卡芯片的物理基础 2 1 1 非接触式应用的物理基础 双界面c p u 智能卡在非接触应用时采用的是通过电感耦合的方式从读卡器获得电 场能量的。电感耦合是基于变压器模型，通过空间交变磁场来实现耦合。电感耦合的 依据是电磁感应定律，卡与阅读器天线无功近场区之间的电感耦合( 闭合磁路) 构成 无接触的空间信息传输射频通道，工作的波长比阅读器天线和电子标签之间的距离大 很多，可以把电子标签到天线的距离间的电磁场当作简单的交变磁场来对待【1 2 】【1 3 】， 参见图2 1 。 一一_ i i i l i i i i l l - i i 签 图2 1 阅读器和电子标签之间的电感耦合 如上所述，要建立通信，p c d ( p r o x i m i t yc o u p l i n gd e v i c e ：接近式耦合设备) 应产 生能够给予能量的电场，来传送功率，p i c c ( p r o x i m i t yc a r d ：接近式卡) 通过天线能 够耦合到该电场，同时该电场应被载波调制，即工作场频率( 危) 一= 1 3 5 6 m h z _ + ：7 i k h = z ，o 根据i s o i e c l 4 4 4 3 1 2 协议规定 1 4 1 ，在非接触应用条件下，p i c c 和p c d 之间建立正 常通信的物理条件为： 最小未调制工作场为h m i n ，其值为1 5 a m ( r m s ) ； 最大未调制工作场为h m a x ，其值为7 5 a m ( 加s ) ； p i c c 应按预期在h m i n 和i - i m a x 之间持续工作； p c d 应在规定的位置( 工作空间) 处产生最小为h m i n ，但不超过h m a x 的场； 8 第二章双界面c p u 智能卡芯片的工作原理 另外，在制造商规定的位置( 工作空间) ，p c d 应能将功率提供给任意的p i c c ； 在p i c c 的任何可能位置内，p c d 应不产生高于规定的交变磁场； p c d 工作场的测试方法在国际标准i s o i e c l 0 3 7 3 - 6 中规定。 2 1 2 接触式应用的物理基础 如图2 2 所示，双界面c p u 智能卡在接触式应用时直接由读卡器通过触点给卡提供 电压和电流【1 5 】，表2 1 是接触管脚的说明。 v d d 回 r s i 回 c l k 回 n c 回 g n d n c i o n c 图2 2 双界面智能卡接触式应用的p a d 排列 触点编号管脚名功能描述管脚类型 c l v d d 电源 c 2r s t 复位信号输入 c 3c l k外部时钟输入管脚输入 c 4n cn oc o n n e c t i o n c 5g n d 电源地 c 6n cn oc o n n e c t i o n c 7数据通讯管脚输入输出 c 8n cn oc o n n e c t i o n 表2 1 管脚说明 v d d 触点用来提供电源电压，在下表中电流值平均大于i m a 。读卡器应能在规定 电压值范围内传送此电流值或更大电流。表2 2 说明了正常操作条件下电压和电流的电 特性。 符号条件最小值最大值单位 v d da 类 4 55 5v b 类 2 73 3 i d da 类在最大允许频率6 0 m a b 类在最大允许频率 5 0 表2 2 正常操作条件下电压v d d 和电流i d d 的电特性 9 第二章双界面c p u 智能卡芯片的工作原理 在不考虑表2 3 所示的瞬间功耗时，在接触式应用条件下，工作电源应保持在规定范围 内的电压值。 类别最大电荷量a最大持续时间i c e 的最大变化量b a 2 0 h a s 4 0 0 n s1 0 0 m a b1 0 h a s4 0 0 n s5 0 m a 乱最大电荷量是最大持续时间和最大变化量乘积的一半 b 最大变化量是提供电流与平均电流值的差 表2 3 电流i d d 的尖峰值 2 2 双界面c p u 智能卡芯片的数据编码和调制方式 2 2 1 非接触式应用的调制方式和数据编码 根据i s o i e c l 4 4 4 3 高频非接触i c 卡通信协议的相关规定，非接触应用条件下共 有两种数据编码和调制方式，即a 类和b 类 1 6 1 。在检测到a 类或b 类的p i c c 存在 之前，p c d 应选择两种调制方法之一。在检测到a 类或b 类的p i c c 存在之前，即p c d 处于闲置状态时，p c d 应该轮流使用a 类和b 类的调制方式，来探测这两类p i c c 。 在通信期间，直到p c d 停止通信或p i c c 移走，只有一个通信信号接口可以是有效的。 然后，后续序列可以使用任一调制方法。 由于国内市场上除了二代身份证卡遵循b 类标准以外，绝大多数采用的的是a 类 协议标准，因此本论文所设计的双界面c p u 智能卡芯片也只采用i s o i e c l 4 4 4 3a 类 协议标准，下面就只对a 类的数据编码和调制方式作一个详尽介绍。 p c dt op i c c p i c ct op c d l o a dm o d u l a t i o n a s k1 0 0 s u b c a r r i e rf j l6 m o d i f i e dm i l l e r 10 6 k b i t s o o k m a n c h e s t e r ，10 6 k b i t s 10i 1 l 0 1 0 l - l il 0 i 1 1 0 1 0 i 1 l 图2 3i s o i e c l 4 4 4 3t y p e a 接口的通信信号 在从p c d 到p i c c 进行通信时，在初始化和抗冲突期间，传输的数据波特率应为 f c 1 2 8 ( 一1 0 6 k b p s ) 。使用r f 工作场的a s k l 0 0 调制原理来产生一个如图2 4 所示的“暂 停( p a u s e ) ”状态来进行p c d 和p i c c 间的通信。 1 0 1 7 r cpj1 乙， 毛 岁7 塑型幽塑塑一和 5 5 鹱漩叛牺舶位络线 h 舟眦 l ：, 1 1 篡删1 2o0 5 1 3 o ，o s 垃篡删t ， 图2 4 暂停 p c d 场的包络线应单调递减到小于其初始值h 唧a l 的5 ，并至少在t 2 时间内保 持小于5 。该包络线应符合图2 4 。 如果p c d 场的包络线不单调递减，则当前最大值和在当前最大值前通过相同值的 时间之间的间隔应不超过o 5 郎。如果当前最大值大于h i n i n a l 的5 ，这种情况才适用。 上冲应保持在a l 的9 0 矛d1 1 0 之内。 在场超出h i n l t l x l 的5 之后和超出h i n m a l 的6 0 之前，p i c c 应检测到“暂停 ( p a u s e ) 结束”，如图2 5 所示。 图2 5 暂停结束的定义 如图2 3 所示从p c d 到p i c c 通信时，调制方式采用1 0 0 幅移键控( a s k ： a m p l i t u d es h i f tk e y i n g ) 【1 7 】：编码方式采用改进的密勒编码 1 8 】，具体编码序列定义参 见表2 4 。 ；乞哆目 以c i 移 第二章双界面c p u 智能卡芯片的工作原理 序列x 在6 4 f c 时间后，一个“暂停( p a u s e ) ”应出现 序列y 在整个位持续时间( 1 2 8 f c ) ，没有调制出现。 序列z 在位持续时间开始时。一个“暂停( p a u s e ) ”应出现。 逻辑“l ” 序列x 逻辑“0 ”如果有两个或以上的连续“0 ，则序列z 应从第二个0 处开始被使用。 如果有两个或以上的连续0 ，则从第二个“0 ”开始的所有连续的“0 ”被序列z 表 达。 如果在起始帧后的第一位是0 ，则序列z 应被用来表示它，并且以后直接紧跟着 任何个“0 ” 如果在起始帧后的第一位是0 ，它以及它之后直接紧跟着的所有的“0 ”用序列z 表 达。 通信的开始序列z 通信的结束逻辑“0 ”，后面跟随着序列y 没有信息 至少两个序列y 表2 4 从p c d 到p i c c 的密勒编码序列 在从p i c c 到p c d 进行通信时，它在初始化和抗冲突期间，传输的数据波特率应 为f c 1 2 8 ( - 1 0 6 k b p s ) 。在初始化和抗冲突期间，一个位持续时间等于8 个副载波周期， 副载波负载调制的频率f c 应为f c 1 6 ( 8 4 7 l 【h z ) 。此时p i c c 应能经由电感耦合区域与 p c d 通信，在该区域中，所加载的载波频率能产生频率为6 的副载波。该副载波应能 通过切换p i c c 中的负载来产生。在以测试方法描述的方法测试时，负载调制幅度应至 少为3 0 h 1 2m v ( 峰值) ，其中h 是以a m 为单位的磁场强度的( r m s ) 值。 如图2 3 所示从p i c c 到p c d 通信时，调制方式采用开关键控( 0 0 k ：o n - o f f k e y i n g ) 副载波调制方式【1 9 】：编码方式采用曼彻斯特编码【2 0 】，具体编码序列定义参见表2 5 ， 即每一个位持续时间均以己定义的与副载波相关的相位开始。位周期以已加载的副载 波状态开始，副载波由“接通”断开”键控按表2 5 定义的序列来调制。 序列d对于位持续时间的第1 个1 2 ( 5 0 ) ，载波应以副载波来调制。 序列e对于位持续时间的第2 个1 2 ( 5 0 ) ，载波应以副载波来调制。 序列f对于1 个位持续时间，载波不以副载波来调制。 逻辑“1 ”序列d 逻辑“0 ” 序列e 通信开始 序列d 通信结束序列f 没有信息没有副载波 表2 5 从p i c c 到p c d 的曼彻斯特编码序列 第二章双界面c p u 智能卡芯片的工作原理 2 2 2 接触式应用的数据编码和传输时序 双界面智能卡芯片在接触式应用时，采用符合i s o i e c 7 8 1 6 协议标准。s c l 7 8 1 6 串行控制接口执行字节传送，如i s 0 7 8 1 6 3 标准定义的那样【2 1 】，该串行接口支持同步 模式，它可以分别操作于发送和接收模式中，其特征如下： 起始位生成 8 位数据发送、接收 生成一位奇偶校验 错误检测和重传 正向约定( 低位在前) 可编程的位传送速率 g u a r ds b s bb 0b 1b 2b 3 b 4b 5b 6b 7p b t l i n e 图2 6i s 0 7 8 1 6 串行数据帧结构 如图2 6 所示i s 0 7 8 1 6 协议规定的数据帧格式，其中 s b ：是表示一个数据帧的起始位； b 0 - b 7 ：数据位； p b ：奇偶校验位； i o 线空闲时期为高阻态； g u a r dt i m e ：保护时间，至少为2 个基本时间单位( e t u ：e l e m e n t a r yt i m eu n i t ，即传送 一个位所需的时间) i e t u = f d 1 f ( 参数f 和d 是传输因子，分别是时钟频率转换因子和波特率调 整因子，频率啪最小值应当为1 m h z ，缺省最大值是5 m h z ) 在接触式应用条件下， 一帧数据至少有1 2 个e t u 周期长，读卡器发出一个起始位，紧接着为一个数据字节加 上一个奇偶校验位，当数据中包含奇数个l 时，该位为1 。在发送模式中，发送完8 位数 据后，由硬件自动计算奇偶位；在奇偶位发完之后，i o 线返回高阻态，保持至少两个 e t u 。 i s 0 7 8 1 6 协议规定串行位传送速率即波特率是可以通过寄存器s b d 飚茳行调整的， s b d r 是一个l6 位的分频器； t i p s b d r = ( s y s c l k b a u d ) ；其d p s y s c l k 是系统时钟频率：b a u d ：期望的波特率； 例如若系统时钟为3 5 7 m h z ，为了获得9 6 0 0 波特率，则s b d r = 3 5 7 m 9 6 0 0 = 3 7 2 d ； 例如若系统时钟为3 5 7 m h z ，为了获得4 8 0 0 波特率，则s b d r = 7 4 4 d ；例如若系统时钟 为8 m h z ，为了获得9 6 0 0 波特率，则s b d r = 8 x 1 0 0 0 0 0 0 9 6 0 0 = 8 3 3 d ； 1 3 第二章双界面c p u 智能卡芯片的工作原理 图2 7 和图2 8 是接触式应用条件下的接收过程的时序。 s 切r p a r i t y s t a r t i ，o0 b i t b 0 - b 7d a t ab i tg u a r dt i i l l e b h b h s a m p l e lli il c m s e r l a i 厂 n t e r r u p t - e t uao 5 。 !it o1 0 s1 t 2 图2 7 无奇偶错误的接收 s t a r tp a r i t y g + r c t ! r s t a i t l ，oo b 托 b 0 - b 7 d a 协b 砼 b l tb n ) 唐 s a m p l e li f i 炒 c mi s e r i a l 厂 i n t e r r u p t e t u 日o ； 。 l jo1 0 5 1 1 。 2 图2 8 有奇偶错误的接收 图2 9 和图2 1 0 是接触式应用条件下的发送过程的时序 s 嵋r t b 0 - b 7o a t ab i t p a r i t y g u a r dt i m e s t a r t i 帕o b i tb nb 砘 t e t uoo 51 9 1 01 0 51 11 2 图2 9 无奇偶错误的发送 1 4 第二章双界面c p u 智能卡芯片的工作原理 e t uoo 519 1 01 0 5 1 1 1 2 图2 1 0 有奇偶错误的发送 2 3 双界面c p u 智能卡芯片的工作模式 双界面智能卡的工作模式即芯片是处于接触式还是非接触模式是由芯片内部的 p m u 模块即电源管理模块来决定的。电源管理模块的结构如图2 1 1 所示，从图中我们 可以看到，p m u 模块根据芯片p a d 的输入情况和r f 电路能量耦合的情况来输出两个 标志位即c b f l a go 和c l f l a go ( p m u 端口的定义参见表2 6 ) 来表明当前智能 卡是工作在接触式模式下还是非接触模式下。所有当前工作模式的状态切换的详细描 述可参见表2 7 的p m u 接口时序。需要特别指出的是在所设计的双界面智能卡芯片的 工作模式中，接触式工作模式的优先级要高于非接触工作模式，即当智能卡芯片即处 于接触式读卡器的控制当中又处于非接触读卡器的电磁场能量范围之中时，芯片处于 接触式工作模式之下。 v c c c bf l v c c c i p 端口描述如下表2 6 ： 图2 1 1p m u 结构框图 o 接口信号类型定义驱动 能力 lv c c c bp 模拟电源接触式电源，外接7 8 1 6v c cp a d 2 v c c c l - p 模拟电源非接触式电源，连接r f 电路的v c c c lp 1 5 第二章双界面c p u 智能卡芯片的工作原理 3v s sp 模拟地芯片全局地 4 c b f l a go数字输出 接触式模式识别信号，高电平表示接触式 0 2 p f 电源有效。送给数字电路。 5c l f l a g0数字输出 非接触式模式识别信号，高电平表示非接 0 2 p f 触式电源有效。送给数字电路。 6v d dp 模拟电源l d o 产生的芯片全局电源。 7v c c c o ma模拟电源l d o 自身供电电源 7 p o r b o 数字输出p o r 信号，低电平芯片下电复位。送给数 0 2 p f 字电路。 1 4e e p o r bo数字输出e e p r o mp o r 信号，为p o r bo 信号 0 2 p f d e l a y5 0 u s 。高电平允许对e e p r o m 进行 读写操作。送给数字电路。 表2 6 p m u 端口定义 表2 6 中输出端口驱动的能力，表示驱动该负载时，翻转沿 l u s 。 场强 同时有接触离开非接触场强保持高 高到保持 保持高 式供电，并低 处在非接触 场强 只处在非接连接接触式供电低到保持保持高变低，再 触场强高高变高。低电平维 持 l u s 。 只连接接触进入非接式场强保持高低到保持保持高 式供电 高 只处在非接离开非接触式场低到高到先降后 随着v d d p 的变化 触场强强，再接触式供电高低上升。 先变低，再变高 表2 7 p m u 端口时序 第二章双界面c p u 智能卡芯片的工作原理 2 4 双界面c p u 智能卡芯片的安全 我们知道双界面c p u 智能卡的最大的卖点( 吸引客户广泛使用) 之一就是c p u 智能卡相对于一般的逻辑加密卡具有更好的安全性。逻辑加密卡中普遍采用的m i 加 密算法 2 2 】- 2 4 】已经于2 0 0 8 年被荷兰的r a d b o u d 大学计算机和信息学院的研究小组所 破解【2 5 】。c p u 卡芯片内部都有双重安全机f b 0 1 2 6 2 7 ，第一重是芯片本身集成的加密 算法模块，芯片设计公司通常都会将经实践检验最安全的加密算法集成入芯片。第二 重保护则是c p u 卡芯片特有的c o s ( c h i po p e r a t i n gs y s t e m ) 系统，c o s 可以为芯片设 立多个相互独立的密码，密钥以目录为单位存放，并且有防火墙功能