（计算机应用技术专业论文）智能卡硬件仿真系统的研究与设计.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 智能卡的发展方向是高度的安全性、移动性和便携性。传统智能卡的硬件资源 决定了目前智能卡的功能不够强大，只能满足智能卡应用的基本需求。基于主从处 理器体系结构的智能卡内拥有主从两个处理器，具有很强的处理能力：通过增加网 络接口，它可以通过网络远程被访问，其移动性能和便携性能得到增强。 智能卡硬件仿真系统是基于主从处理器体系结构的智能卡硬件仿真平台，硬件 仿真系统拥有高性能处理器、大容量存储器以及多种接口，其中接口包括r s 2 3 2 串 行接口，1 2 c 总线接口以及以太网接口。主从处理器之间通信方式采用双端口存储器， 其特点是读写速度快、硬件设计简单、控制方便。大容量存储器a t 2 9 c 0 4 0 a 拥有4 m 位的超大存储容量，其存储方式为“逻辑段物理段页”三级存储结构。 不同型号的智能i c 卡的存储器有其不同的物理存储器构造和不同的数据存储结 构的特点，i c 卡数据存储模型可以很好的描述i c 卡内部存储结构。i c 卡数据存储 模型存在两个层次上的内容，首先是单张i c 卡的数据存储模型，该模型可以以软件 的方式描述同一种型号的多张i c 卡；另外是统一的i c 卡数据存储模型，它可以用 软件的方式描述各种型号的i c 卡。构造统一的i c 卡数据存储模型对研究i c 卡存储 分配机制以及对i c 卡进行仿真操作都有实际的意义。 传统的智能卡操作系统c o s 存储在智能卡的只读存储器内，在卡的生命周期内 不能更改卡的c o s ，这种措施保证了卡上数据的安全性和完接性，但是缺点就是卡 上的应用单一，再加上硬件资源的不足，不能充分地发挥智能卡的功能。u c a r d 是 采用新的硬软件技术在张卡上实现现行多张不同种类智能卡功能的一种新型智能 卡。u c a r d 系统中，u c a r d 的底层协议u s p ( u c a r ds c h e d u l i n gp r o g r a m ) 负责c o s 的管理调度以及存储空间的分配，存储空间的分配是u s p 工作的重点，其分配主要 为静态分配和动态分配两种方式。 关键词：智能卡，智能卡硬件仿真系统，数据存储模型，片内操作系统 华中科技大学硕士学位论文 2 = = = = = = = = = = = = j = = = = = = = = = 目= = = = = = = = = = = e = = 一 a b s t i - a c t s u p e rs e c u r i t y ，m o b i l i t ya n dp o r t a b i l i t ya r et h ed e v e l o p m e n t 缸e n d so fs m a r t c a r d t h e f u n c t i o n so ft h ec u r r e n ts m a r t c a r d a r er e s t r i c t e d b y i t sh a r d w a r e s t r u c t u r e ，m e r e l y s a r i s l y i n gb a s i cr e q u i r e m e n t s t h en e ws m a r t c a r dh a sm a s t e ra n ds l a v et w op r o c e s s o r s ， w h i c hi sb a s e do nm a s t e r - s l a v ep r o c e s s o r sa r c h i t e c t u r e ，a n dh a sap o w e r f u lp r o c e s s i n g a b i l i t y i ta l s oc o u l db er e m o t e l ya c c e s s e dv i an e t w o r k sb e c a u s ei t sn e t w o r k si n t e r f a c e ， w h i c he n h a n c ei t sm o b i l i t ya n d p o r t a b i l i t y t h es m a r t c a r dh a r d w a r e s i m u l a t i n gs y s t e m ( s h s s ) i sas m a r t c a r dh a r d w a r e s i m u l a t i n gf l a tw h i c hi s b a s e do i lm a s t e r - s l a v ep r o c e s s o r sa r c h i t e c t u r e s h s sh a sh i g h p e r f o r m a n c ep r o c e s s o r s ，h i 【曲s t o r a g ec a p a b i l i t ym e m o r ya n ds e v e r a lk i n d so fi n t e r f a c e s t h ei n t e r f a c e si n c l u d er s 2 3 2s e r i a li n t e r f a c e ，1 2 cb u si n t e r f a c ea n de t h e r n e ti n t e r f a c e t h ec o m m u n i c a t i o nb r i d g eb e t w e e nt h em a s t e ra n ds l a v ep r o c e s s o r si sd u a l p o r tr a m ， w h i c hh a sm a n y a d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g ha c c e s s i n gs p e e d ，h a r d w a r ed e s i g n i n ge a s i l ya n d c o n t r o l l i n gc o n v e n i e n t l y t h e f l a s hm e m o r ya t 2 9 c 0 4 0h a s4 mb i t ss t o r a g ec a p a b i l i t y ，i t s a c c e s s i n gm e t h o d i st h r e es t o r a g es t r u c t u r e l o g i c a ls e g m e n t p h y s i c a ls e g m e n t - p a g e ” d i f f e r e n ts m a r ti cc a r dh a sd i f f e r e n tc h a r a c t e r so f p h y s i c a ls t o r a g es t r u c t u r ea n d d a t a s t o r a g es t r u c t u r e ，i c c a r dd a t a s t o r a g em o d e lc o u l dp r e s e n t i cc a r di n t e r n a l s t o r a g e s t r u c t u r e i th a st w ol e v e lc o n t e n t s ，w h i c ha r et h ed a t as t o r a g em o d e lo f t h es i n g l ei cc a r d a n dt h eu n i f o r md a t as t o r em o d e lo f a n y i cc a r d t h ef o r m e r p r e s e n t st h es e v e r a li cc a r d s o f o n ek i n da n dt h el a t t e rp r e s e n t sa n yi cc a r d s t h ec o n s t r u c t i o n so f u n i f o r md a t as t o r a g e m o d e lm a k e sg o o ds e n c eo fr e s e a r c ho ni cc a r ds t o r a g ed i s t r i b u t i n gm e c h a n i s ma n d s i m u l a t i n go p e r a t i o n so f i e c a r d t h ec h i po p e r a t i n gs y s t e m ( c o s ) o ft r a d i t i o n a ls m a r t c a r di s s t o r a g e di nt h er o m w h i c hc a n tb em o d i f i e di nt h ec a r dl i f e ，t h i si n s u r e ss e c u r i t ya n di n t e g r i t yo fs m a r t c a r d d a t a ，b u tt h ea p p l i c a t i o no ns m a r t c a r di ss i n g l e ，a n dt h eh a r d w a r er e s o u r c ei sd e f i c i e n t ，s o t h e s er e s t r i c tt h ef u n c t i o n so fs m a r t c a r d u c a r di san e w k i n ds m a r t c a r d ，i tr e a l i z e st h e f i m c t i o n so fm a n yk i n d so fd i f f e m n ts m a r t c a r d so r las i n g l ec a r d w h i c hi sp r o d u c e d 、i t l l n e ws o f w a r ea n dh a r d w a r et e c h n o l o g i e s t h eu c a r ds c h e d u l i n gp r o g r a m ( u s p ) c h a r g e s 华中科技大学硕士学位论文 c o s m a n a g e m e n ta n ds t o r a g es p a c ed i s t r i b u t i n g ，a n dt h el a t t e ri st h ee m p h a s i st a s ko f u s es t a t i cd i s t r i b u t i n ga n dd y n a m i cd i s t r i b u t i n ga r et h et w om e t h o do fc o ss t o r a g e s p a c ed i s t r i b u t i n g k e yw o r d s ：s m a r t c a r d ，s m a r t c a r dh a r d w a r es i m u l a t i n gs y s t e m ，d a t as t o r a g e m o d e l c h i po p e r a t i n gs y s t e m _ 一一 i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 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：多：氏r 一一 日期；洳。侮4 月迥日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版；允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：多按k 日期怠唯4 月；踟 指导教师麟咯秽名 日期另”悔牛月z 珀 华中科技大学硕士学位论文 = = ；l = 目= ；= = = = = = = = = = = = = = = = 自= = = = 一 1 1课题的目的和意义 1 绪论 智能卡( s m a r tc a r d ) 又叫i c ( i m e g r a t e dc i r c u i t ) 卡，指塑料卡基里嵌有集成电路的 卡片【1 。近几年来，随着人们对信息安全性和便携性要求的不断提高，智能卡研究与 应用得到了长足的发展。智能卡的发展经历了最初的存储卡、逻辑加密存储卡和微 处理器卡，以及带有针对加密解密功能的算术协处理器和输入输出设备的超级智能 卡。智能卡的内部结构越来越复杂，功能越来越强大。现在的超级智能卡中，增加 了加密解密协处理器和随机数发生器等功能部件，可应用到较高安全性的应用中。 最近几年出现的非接触卡拥有射频电路接口，能在一定距离内不接触读写器的情况 下被读写。 不同型号的i c 卡的存储器有其不同的物理存储器构造和不同的数据存储结构， 这给f c 卡应用带来了很多不便。例如：如果要在基于某种特定的i c 卡型号的应用 中更换i c 卡的型号，实际上根本不可行。原因在于i c 卡的应用系统都是针对某种 特定型号i c 卡的应用，应用系统与i c 卡的物理存储系统结合紧密。 智能卡的操作系统叫做c o s ( c h i po p e r a t i n gs y s t e m ) ，目前许多智能卡发行商都 遵循7 8 1 6 - 4 协议开发出自己的c o s 。但是，由于安全性的高要求，不同c o s 的智 能卡不能通用，卡用户手中的卡越来越多，给使用带来种种不遍。如果能在一张智 能卡上集成多个c o s ，就可以在一定程度上解决这些问题。 智能卡制造过程中，硬件设计和软件设计的环境要求和资金要求是一般的科研 单位难以承受的。在i c 卡芯片的设计制造过程中，绝对无尘的厂房是必需的；智能 卡c o s 掩膜的费用很高( 如飞利浦公司每次下单掩膜费用为3 0 0 0 欧元，每次最小下 单数为4 5 0 0 片习) ；同时，设计中一次成功的几率不高，往往需要多次掩膜。这就提 出了一个具体的问题，如何能在条件一般的环境中实现智能卡软硬件的相关设计与 研究工作。 本课题是基于上述背景提出的，通过智能卡硬件体系结构的研究，设计并实现 一种合适的智能卡硬件仿真系统。在仿真系统的硬件平台上，探讨i c 卡统一存储模 型的合理性，初步研究多c o s 智能卡的特点以及相关技术。 华中科技大学硕士学位论文 = = 2 ；= = = = _ = = = = g = 一 1 2 智能卡简介 12 1 智能卡技术 1 9 7 0 年，法国人罗兰德莫瑞洛( r o l a n dm o r e n o ) 第一次将可编程设置的集成电 路i c ( i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 芯片放于卡片中，使卡片具有更多的功能；同一年，日本人 有村国也发明了集成电路卡 2 】。1 9 7 7 年法国b u l l 公司与美国m o t o r o l a 公司合作， 设计出了世界上第一块微处理器卡并申请注册了专利【3 】。 智能卡可分为存储卡和微处理器卡( c p u 卡) 1 4 】。存储卡是一种简单的i c 卡，存 储卡依据卡上是否有硬件加密逻辑又可以分为一般存储卡和逻辑加密存储卡。存储 卡由一个或者多个集成电路组成，卡上的存储器是非易失性存储器( n o n v o l a t i l e m e m o r y ) ，具有简单的记忆功能。逻辑加密存储卡上有硬件加密电路，具有简单的安 全功能。存储卡主要用于简单的资料保存、身份证卡和电话卡。 卡内集成处理器等更为复杂硬件的微处理器卡才是“真正的”智能卡【5 1 。典型的 智能卡微控制器中最重要的功能单元就是c p u 、地址数据总线和三种类型的存储器 ( r a m ，r o m 和e e p r o m ) ，芯片还包括一个简单的接口模块，它负责与外部世界的 串行通信。另外，某些制造商在芯片上还提供专门的算术部件，它起着类似算术协 处理器的作用，此单元所提供的功能只限于整数幂指数和模数运算【l 】。 c o s ( c h i po p e r a t i n gs y s 把m ) 作为智能卡内的操作系统，一般是紧紧围绕着它所 服务的智能卡的特点而开发，不可避免地受到智能卡内微处理器芯片的性能和内存 容量限制。因此，它在很大程度上不同于通常所见到的微机上的操作系统。c o s 的 主要功能是控制智能卡和外界的信息交换，管理智能卡内的存储器并在卡内部完成 各种命令的处理。其中，与外界信息交换是c o s 最基本的要求。 1 ，2 ，2智能卡的发展状况 1 9 8 4 年，法国邮政和长话服务p t t ( p o s t a la n dt e l e c o m m u n i c a t i o n ss e r v i c e s ) h 藏功 地进行了电话卡的现场实验，智能卡迅速证明了能满足涉及防止篡改的所有预期功 能并有着高度的可靠性，从此拉开了智能卡应用的序幕。继电话卡的成功试验后， 智能卡先是在法国继而在德国以惊人的速度取得了进步的发展，1 9 8 6 年，仅仅在 华中科技大学硕士学位论文 = = = = 目= = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = ： 法国就有数百万张电话卡在流行。1 9 9 0 年总数达到了6 千万张，而1 9 9 7 年在全世界 就有数亿张1 1 j 。 随之，智能卡在银行界得到了应用。1 9 8 4 年法国银行界首先引入了智能卡技术， 同时，德国也进行了第一次区域性试验。前些年，澳大利亚发行了具有电子收款机 p o s ( p o i n to fs a l e ) 功能的电子钱包以及多功能的智能卡，使得澳大利亚成为世界上 第个拥有全国电子钱包系统的国家。 近些年来，德国的每个公民都拥有了一张智能卡，它们是含有芯片的健康保障 卡，已有超过7 千万张智能卡发给了所有被国家健康保障计划覆盖的人们。 1 9 9 3 年，以电子货币应用为重点的“金卡工程”在我国正式启动。智能卡这种 具有智能性以及便于携带的卡片迅速在我国普及、发展。与智能卡的发源地欧洲国 家相比，我国智能卡的应用领域还远不够广泛，应用深度也远不及发达国家，但我 国智能卡市场发展速度却是喜人。随着国家对智能卡行业的支持和智能卡行业的迅 速发展，智能卡在企业、银行、学校、通信、交通、公用、工商、税务、公安领域 被广泛使用，除此之外，医疗、饮食、酒店和娱乐、科研、图书、博物馆、旅游、 海关、建筑、军队等领域都有一定的应用。 1 9 9 9 年全国智能i c 卡的发行量约为1 7 亿张，2 0 0 0 年我国i c 卡总共发行2 - 3 亿张，增长3 5 ；2 0 0 1 年中国i c 卡需求量约3 2 亿张，增长4 0 2 0 0 2 年为4 2 8 亿张，增长3 3 8 。在2 0 0 2 年，存储卡是主要的需求，发行量为3 3 4 0 5 万张，占总 发卡量的7 8 0 4 ：2 0 0 2 年c p u 卡发行量约9 3 9 5 万张，占总发行量的2 1 9 6 a 由此 可见，目前我国i c 卡市场对i c 卡的需求还处于一个比较低的产品层次上，技术含 量高的产品需求还比较少1 6 j 。 1 3国内外研究概况 近几年来，随着智能卡应用的广泛，已经有越来越多的国内外科研人员对其进 行研究。根据在工程索引e l 上的检索，1 9 9 0 年以来关于智能卡方面的研究论文可以 检索到的是约4 6 0 0 篇；2 0 0 0 年以来关于s m a r t c a r d 方面的研究论文4 0 0 0 多篇a 在 i e e e 上的检索结果为4 0 2 篇。中国期刊网全文数据库中，1 9 9 4 年至今，以“智能卡” 为关键字可以检索到6 7 2 篇论文，以“i c 卡”为关键字可以检索到论文1 6 2 6 篇。目 前主要的研究方向是智能卡安全、一卡多用、智能卡的移动性、智能卡硬件等等以 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = 自= 自= = = = = = = = 2 = = = 一= 及智能卡数据库等等。下面分别给予分析介绍： 1 智能卡安全 智能卡由于其安全性高而得到了广泛的应用。智能卡有非常严密的安全保密措 施、它的安全性体现在从生产到销毁卡的整个生命周期中 ”。在利用智能卡的安全性 方面以及针对智能卡加密解密算法的复杂性方面，智能卡的研究工作者在硬件和软 件方面分别作了大量研究工作。 随着互联网技术的不断发展，智能卡在安全方面的优势体现出来。在信息传输 保护方面，智能卡有其天生的优势。智能卡可以用于基于w e b 的移动交易系统中 ”。 由于官方文档通过网络的邮件系统传送方式的安全性不高，一种基于智能卡的x m l 文档传送安全服务系统应运而生。虽然智能卡自身计算能力和存储容量有限，但依 靠合适的内部功能设计，它就能担任文档交换、个人识别或者电子钱包的功能【9 】。 智能卡加密算法主要有有d e s ( d a t ae n e r y p t i o ns t a n d a r d ) 和r s a 【l “” ，以及最近 使用的椭圆曲线加密算法e c c ( e l l i p t i c c u r v e c r y p g o g r a p h y ) 1 3 - 1 4 国内外有很多专家 致力于加密算法的优化，虽然在执行效率上有所提高，但是速度效果不是很明显。 通过使用专门的硬件加密运算器改进智能卡硬件的方法可以显著提高加密的速度和 效率，关于这方面的研究工作将在智能卡硬件部分介绍。 单纯智能卡的安全性似乎还不够，于是将智能卡用户的生物特征和智能卡结合 起来增加安全性成为了一种发展方向。指纹智能卡就是这样一种智能卡【l ”。 2 卡多用 早在1 9 9 7 年就有科学家提出了一卡多用的观念，“未来的智能卡将不再限于一 个独立的应用，而是有多个应用。”l l “。 对于没有c p u 的存储卡，一卡多用的实现是通过对于存储区域的划分实现，一 个存储区域或者多个存储区域对应一个应用【1 8 1 。一卡多用在各个行业和领域得到了 广泛的发展，如烟草行业，校园一卡通。市政等等眇2 ”。 多应用智能卡中安全性十分重要，每个应用要做到和其他应用完全独立口卯。德 国汉堡大学的科学家提出了提出了基于角色和任务的安全模型( r & tm o d e l ) ，该模型 在多应用的基础上构造了一个基于安全应用的框架口”。 4 华中科技大学硕士学位论文 = = = 目 t = = ；= = = t t t = = = = = = = = = = = 3 智能卡c o s 9 0 年代初期，真正的智能卡操作系统非常罕见。其中部分原因是e h 于当时的智 能卡存储容量十分有限，通常情况下，r o m 中的c o s 实际上是结构完好的库例程 集合，仅在需要时被应用调用而已【i 】。 c o s 一般是紧紧围绕着它所服务的智能卡的特点而开发，在设计时一般都是紧 密结合智能卡内存储器的分区情况，按照国际标准( i s o i e c 7 8 1 6 系列标准) 中所规定 的一些功能进行设计、开发，不可避免地受到智能卡内微处理器芯片的性能和内存 容量限制 1 6 】。因此，它在很大程度上不同于通常所见到的微机上的操作系统。 智能卡多应用c o s 的实现，促进了一卡多用的发展。现在，国际上主要流行以 下三种智能卡多应用操作系统( m a o s ) ：j a v ac a r d 、m u l t o s 和w i n d o w s f o rs m a r t c a r d ( w f s c ) 。这三种c o s 支持应用的动态装载、更新以及删除，大大方便了智能 卡的应用开发和一卡多用的应用。这些系统已经广泛应用于世界上各种流行的智能 卡中 2 3 】。 现在，已经有超过上千家公司生产各种通用和专用的智能卡操作系统【l 】。由于没 有统一的国际标准和各个公司出于安全上的考虑，各种c o s 互不兼容。虽然可以保 证安全性，但是造成了一个用户手上可能同时存在多个公司的智能卡，给使用带来 不便。 4 智能卡硬件 智能卡硬件方面的研究主要分为外部接口和内部功能器件两方面的研究。 为了方便使用，日本n t t 公司开发出接触式月# 接触式双用智能卡，主叫方使用 这种智能卡芯片作为电话卡芯片，使用付费电话作为读卡终端，付费电话终端首先 通过电话网络检查余额，这种模式可以有效防止智能卡欺诈活动【2 4 1 。 国内外很多科学家正在研究智能卡的加密的硬件实现，并且做了很多有意义的 试验工作口5 1 。d p a 保护的a s i c 结构智能卡中包括一个集成硬件d e s 计算器，在 2 0 i v l h z 为时钟周期下，可以在1 7 个时钟周期即5 3 u s 完成d e s 运算，3 重d e s 运 算需要4 9 个时钟周期【1 5 】。清华大学的学者设计出了一种1 0 2 4 位的r s a 加密协处理 器，该协处理器是基于修改的m o n t g o m e r y 模运算算法。与其他方法相比，该结构的 运算器在芯片大小和速度上都十分适合智能卡1 。 华中科技大学硕士学位论文 t = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = t = = = 自= = j a 、，a 卡作为智能卡的一个发展方向，引起很多学者注意。但是，目前在智能卡 有限的硬件资源上以软件方式实现的j a v a 智能卡虚拟机o c v m ) 性能较差，不仅影 响了j a v a 程序的运行速度，而且还占用了十分有限的存储资源。虽然一些文章 2 7 。8 l 提出了直接在硬件上执行j a v a 字节码的方案，但是他们都是面向通用平台j a v a 虚拟 机指令集和一般嵌入式应用领域的，需要很多的硬件资源，对智能卡并不完全合适。 清华大学微电子所设计并实现了一种专门的j a v a 智能卡微处理器f j a v a c a r d p r o c e s s o r ， j c p ) ，该处理器在1 0 m h z 时钟频率下，通过了现场可编程门阵列的硬件验证，这个 处理器能满足智能卡应用对微处理器成本和速度的要求 2 ”。 1 4 课题主要研究工作 1 4 1 研究内容 本课题首先是设计智能卡硬件仿真系统，即设计智能卡仿真实验的硬件实验平 台。智能卡硬件仿真系统是对智能卡硬件系统的完全仿真，通过对硬件仿真系统的 研究与设计，探讨智能卡硬件系统的发展方向和趋势。同时，提供智能卡仿真试验 的硬件平台，借助硬件试验平台可以完成各种智能卡相关的研究工作。 目前智能卡种类繁多，给智能卡应用带来诸多不便。针对这种情况，研究智能 卡统一数据存储模型( 主要是存储卡) ，探讨将不同存储器结构的智能卡统一的可行 性，研究统一数据存储的数据结构和存储算法，方便智能卡的应用。 u c a r d 是采用新的硬软件技术在一张卡上实现现行多张不同种类智能卡功能的 一种新型智能卡，其研究的核心是设计一个底层协议负责多个智能卡操作系统c o s 的调度和管理。以硬件仿真平台为实验环境，探讨u c a r d 卡的可行性，初步研究 u c a r d 的关键技术，为u c a r d 底层协议的实现提供初步的技术准备。 在硬件仿真系统上设计电子钱包应用系统，与传统电子钱包应用系统不同，该 系统可以通过串行口和以太网接口两种方式访问智能卡电子钱包。研究多种接口方 式下智能卡使用的便携性和移动性，设计基于硬件仿真系统的电子钱包应用系统， 完成软件系统的软件设计。 华中科技大学硕士学位论文 1 42 预期结果 1 完成硬件仿真系统的硬件设计，将要制作出具体的硬件电路实验板 2 将要完成硬件电路的调试工作； 3 将要完成智能卡统一存储模型的研究工作； 4 初步探讨u c a r d 卡的可行性和关键技术； 5 将要在硬件仿真系统上实现电子钱包应用系统。 7 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = 。= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = j = = 一 2 智能卡硬件仿真系统总体设计 智能卡仿真系统的设计目的是为了在硬件上能完全仿真智能卡硬件，就是在物 理上和功能上要求能模拟当前智能卡的绝大部分特性，使得智能卡读写器具不知道 是对智能卡还是对智能卡硬件仿真系统进行操作。智能卡硬件仿真系统可以提供智 能卡的相关研究工作的硬件平台，如完成智能卡操作系统c o s 的设计等操作。 硬件仿真系统既要满足能仿真目前主流智能卡，又要有一定的前瞻性，能仿真 未来功能更强大的智能卡。这就使得在硬件配置上不能拘泥于当前主流智能卡的硬 件配置，而是要在处理器功能、总线宽度、存储器容量以及外部接口上要有超前意 识。同时，由于嵌入式系统中软件系统的设计总是依赖于硬件系统的设计，硬件系 统设计的是否合理在很大程度上左右着软件系统编制的方是否方便。所以，在设计 仿真硬件系统的同时，还要考虑智能卡软件设计过程中程序编制的便利性。 2 1硬件仿真系统的系统结构 2 11传统智能卡硬件系统结构 上章介绍了智能卡的种类。不同类别的智能卡有着不同的体系结构，但同种类 别的智能卡的体系结构差别不大。下面分别给出具有代表性的存储卡和微处理器卡 的典型结构 ”。 图2 1 所示的是具有安全逻辑电路的接触式存储卡( 即加密存储卡) 的典型结构， 访问逻辑应用数据 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 存储卡所需要的应用数据都存储在存储器里面，它通常是e e p r o m 。对存储器的存 取操作由安全逻辑电路予以控制( 一般存储卡没有安全逻辑电路) ，最简单的情形是只 对整个存储器的或某些区域的写入或擦除进行保护。 微处理器卡又叫c p u 卡，其核心部分是微处理器，通常围绕它有四个附加的功 能模块：掩膜r o m 、e e p r o m 、r a m 和个i 0 按i s l 。图2 2 给出了这个类型智能 卡的典型结构。 协处理器+ 处理器工作存储区 ， 卜 、 ff n p uj f r 蕊一 j 溉釜三t ：j c p u1 | h 高e e f ：r o j 。| _ i拧制线卜。叫卜+i 瓷。# ：l ：享；f 一 二= t 毒嚣瓣 操作系统 操作系统子程序 舯删。 图2 2 微处理器卡的典型结构 在一般的微处理器智能卡中，没有协处理器这个功能模块，只有在部分微处理 器智能卡中才有协处理器。协处理器一般是对专门处理加密解密算法的专用处理器， 该处理器是针对加密解密运算所需的大数求幂和模数运算作了优化的专用处理器， 从本质上说来应该将它认为是一个运算器。这些智能卡中加密解密运算的任务落在 协处理器上，而一般智能卡的加密解密运算则要靠c p u 来完成。掩膜r o m 内部装 有的智能卡操作系统c o s 是在芯片制造时掩膜进去( 即“烧进去”) 的。对于同一个 批次生产的所有智能卡芯片来说，r o m 的内容是相同的，并且在整个芯片的生命周 期内是不可更改的。芯片内部的e e p r o m 是非易失性存储器，智能卡使用周期内部 的数据和应用程序代码都在c o s 的控制下在e e p r o m 里面存取。r a m 是智能卡内 部处理器的工作存储器，这个存储器是易失性存储器。r a m 的读写速度很快，供处 理器在处理程序时候存放临时变量。当智能卡下电之后，存储在r a m 里面的所有数 据都会丢失。 上面所介绍的都是接触式智能卡的典型结构，对于非接触式智能卡，只是在原 有的相同类型的智能卡结构的基础上，在接口部分增加了射频接口。射频接口由调 华中科技大学硕士学位论文 ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = 一 制解调器、反向碰撞器、时钟发生器、稳压器、复位发生器和天线等功能设备组成。 在使用的时候，读卡器具也要具备相应的功能设备。非接触式智能卡除了在接口方 面与同类型的接触式智能卡结构不同，其他部分与同类型的接触式智能卡结构完全 相同。 2 1 2 硬件仿真系统结构 智能卡在许多领域中的应用日益广泛，其功能越来越强大。同时，希望智能卡 完成的功能也越来越多，如：网络功能、键盘输入以及显示输出等等。但是，智能 卡中的处理器的功能和速度不是无限的，增加任务意味着降低它的实时性。提高处 理器的档次，增强处理能力，改善外围控制芯片性能，可能是目前智能卡系统的主 要性能提高途径。但随着处理任务的增多，使程序结构越来越复杂，智能卡片内操 作系统c o s 编制和调试也越来越费时。能否在现有的硬件条件下设计一种新型的智 能卡体系结构，以解决智能卡日益增多的功能需求，这是值得研究的问题。 多处理器结构的研究工作已进行了多年，并且在并行处理系统和分布式系统中 得到广泛应用d o ，但是在微系统中，由于任务的单一性和简单性，没有得到应用。 随着微处理器集成度的提高和价格的降低，将多处理器结构引入复杂任务的智能卡 系统是一种可行方案。将复杂的任务划分为若干简单任务模块，每个处理器完成其 中的一个或者几个简单任务模块。采用主从多处理器结构，主处理器担负任务模块 的分配调度工作，从处理器完成分配的任务模块。这样，智能卡系统的软件程序结 构简单，易于实现。特别地，可以提高系统整体处理能力，很好的满足智能卡系统 的实时性要求。 图2 3 给出了基于主从处理器体系结构的多处理器智能卡体系结构，各个处理器 图2 3多处理器智能卡体系结构 l o 华中科技大学硕士学位论文 皇篁鼍= 宣= = = = = 高篁兰拦= 篁= = = 暑= = = = 蛊篇昌搴昌皇皇宣= 昌= = = = = = = = = ： 通过接口芯片挂到智能卡的内部总线上，实现处理器之间的通信。如果使用带有i 2 c 接口的单片机处理器则可以不需要接口芯片，直接将处理器挂到总线上，使得电路 更加简单经济。基于主从处理器体系结构的多处理器智能卡具有处理能力强、实时 性高、成本低以及设计简单等特点，其实现可以使智能卡技术得到更为广泛的应用。 基于主从处理器体系结构的多处理器智能卡内有多块c p u ，主处理器将任务分 配调度给处理器。不失一般性，智能卡硬件仿真系统使用2 块c p u 实现主从处理器 体系结构，图2 4 给出了硬件仿真系统的硬件体系结构图。图中，2 个处理器有自己 的存储器和i o 设备，2 个处理器使用共享存储器进行通信。 2 2仿真系统数学模型 乡 。理器j 、i ， 图2 4 硬件仿真系统结构图 1 硬件仿真系统集合 从集合论的角度来看，硬件仿真系统的各种硬件资源的集合s i m b o a r d 应是如下 硬件资源的集合： s i m b o a r d = c p u ，m e m ，p o r t , b u s ，其中： c p u 是处理器集：c p u = c p u l ，e p u 2 ，c p u l 表示主处理器，c p u 2 表示从处理 器。 m e m 是存储器集合：m e m = m e m l ，m e m 2 ，其中m e m l 表示c p u l 的存储 器资源集合，m e m 2 表示c p u 2 的存储器资源集合，并且有如下规则： m e m l = r a m l ，e e p r o m l ，f l a s h m e m l ) ； m e m 2 = f r a m 2 ，e e p r o m 2 ，f l a s 蹦e m 2 ) 其中r a m l ，e e p r o m i ，f l a s h m e m l 分别表示m e m l 集合中的r a m 集合， e e p r o m 集合以及f l a s h m e m 集合；r a m 2 ，e e p r o m 2 ，f l a s h m e m 2 分别表示 1 1 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = # = ；一 m e m 2 集合中的r a m 集合，e e p r o m 集合以及f l a s h m e m 集合。并且有： m e m l o n m e m 2 a ： m e m i a m e m 2 2 s m e m s m e m c m e m l 八s m e m c m e m 2 ( s m e m 为共享随 机存储器集合) 。 p o r t 是接口集：p o r t = s e r i a l ，1 2 c ，e t h e m e t 。 s e r i a l 是串口集：s e r i a l = r s 2 3 2 。t t l 。 r s 一2 3 2 是标准串行口接口，t t l 是t t l 电平串行口接口；1 2 c 是1 2 c 总线接口： e t h e m e t 是以太网接口。 b u s 是总线集：b u s = ( b u s l ，b u s 2 ，b u s l 是c p u l 的总线集，b u s 2 是c p u 2 的总线集，并且有： b u s l = d a t a _ b u s l ，c o n t r o l _ b u s l ，a d d r e s sb u s l ，1 2 c _ b u s l ) ， d a t ab u s l 是数据总线集、c o n t r o lb u s l 是控制总线集、a d d r e s sb u s l 是地址总线集、1 2 cb u s l 是1 2 c 总线集。 b u s 2 = fd a t ab u s 2 ，c o n t r o l _ b u s 2 ，a d d r e s s _ b u s 2 ) ， d a t ab u s 2 、c o n t r o lb u s 2 和a d d r e s sb u s 2 分别表示c 口1 1 2 的数据总 线集、控制总线集和地址总线集。 2 硬件仿真系统数学模型 集合s i m b o a r d 完整的描述了硬件仿真系统的硬件系统，硬件仿真系统的目的是 能模拟完成智能卡的各项任务。设集合o p 为模拟智能卡操作集和： o p = o p l ，o p 2 ，o p 。) 例如：o p l 可以为模拟智能卡c o s 操作集和、o p 2 可以为模拟存储卡的存储模 型操作集和等等。 设q = = ， 显然有s i m b o a r d 彩；又因为o p 是s i m b o a r d 集上的操作集，从直观出发， o p g ：因此，vs i m b o a r d g 八v o p 囝，j q = = a 所以有q 构成一个代数系统( a l g e b r a i cs y s t e m ) 【3 0 j ，q 以代数的方法描述了硬件 仿真系统的数学模型。该数学模型应该是智能卡硬件仿真系统设计以及智能卡仿真 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = 自 试验的依据和参考。 2 3 硬件仿真系统总体设计原则 仿真系统的硬件设计应遵循前面介绍的硬件仿真系统结构和数学模型，其总体 设计要求如下： 首先给出智能卡硬件仿真系统最终需要实现的功能描述：智能卡硬件仿真系统 的目的是使用硬件电路板模拟智能卡，使得智能卡读写器具不知道是对智能卡还是 对硬件仿真系统进行操作。用户可以在硬件仿真系统的硬件平台基础上从事智能卡 的些相关工作，如设计智能卡c o s 、研究存储卡统一存储模型以及其它与智能卡相 关实验等等。硬件仿真系统既要满足能仿真目前主流智能卡的需要，又要有一定的 前瞻性即具有能研究以后的智能卡的能力。在硬件配置上要在处理器功能，总线宽 度、存储器容量以及外部接口上要有超前意识。 从硬件仿真系统的总体设计要求来看，硬件电路设计是其主要设计对象，采用 高性能c p u 以及大容量存储器是设计的主要指导思想。第三章就硬件设计的几个主 要方面给出具体的设计方案。 为方便起见，在本文的以后部分，有时候用硬件仿真系统来称呼智能卡硬件仿 真系统。 2 4硬件设计工具及流程 2 4 1设计工具 智能卡硬件仿真系统的电路设计使用的是p r o t e l 公司的p r o t e l9 9s e 软件，这是 一款优秀韵e d a 软件，它具有功能强大、人机界面友好等优点，被广泛应用于电路 原理图设计和电路板设计【3 2 。 电路硬件连线检查以及硬件逻辑检查阶段使用w a v e 6 0 0 0 l 仿真器，利用其软 硬件的相关功能可以很快的检查硬件连线错误和硬件逻辑错误。 华中科技大学硕士学位论文 = = = 2 42 设计流程 1 元器件选型 2 电路原理图设计 电路原理图的设计是整个电路设计的基础，因此电路原理图要设计好，以免影 响后面