（微电子学与固体电子学专业论文）智能ic卡的设计与实现.pdf

摘要 智能i c 卡在金融、经济等领域起着越来越大的作用，本论文着重研究了全定 制智能i c 卡的设计方法。采用0 3 5 i t me e p r o m 工艺，以自主设计的逻辑为控 制器，实现多种功能，采用特殊加密方式，可用于门禁卡，小区停车，公司内部 电话卡等，具有较高的安全性和功耗低的特点。以满足用户定制要求为基础，在 软硬件的设计上对一卡多用进行了探索和尝试。考虑到功率要求，采用两个1 2 8 x 8 的e e p r o m ，在满足项目要求的前提下预留较大空间作为功能扩充之用。逻 辑设计方面，由于是采用全定制方式设计，对时序的要求被充分考虑并完全满足 高速工作的需要。对智能卡的安全性解决方案进行了探讨，根据项目要求，加密 方式采用d e s 的简化版本s d e s 。在版图设计上采用自动布局布线，并通过d r c 、 l v s 等验证。 关键字：全定制；智能i c 卡；e e p r o m ；加密算法 a b s t r a c t i n t e l l i g e n ti cs m a r tc a r di sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti no u r s o e i a ll i f e i t p l a y ss i g n i f i c a n tr o l ei nf i n a n e i a la n de c o n o m i cf i e l d s ，e t c t l l i sa r t i c l ep a y sm a i n a t t e n t i o nt ot h ed e s i g nm e t h o do ft h es v s t e mf o rt h ei n t e l l i g e n ti cs 1 l a r tc a r d 0 3 5 1 a m e e p r o mt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r s e r i o u sk i n d so ff u n c t i o na r e i m p l e m e n t e db yt h ec o n t r o li o g i ew h i c hi sd e s i g n e da u t o n o m o u s l y w i t hs p e c i a ld a t a e n e r y p t i o n , t h i ss m a r ti cc a r dc a l lb eu s e di np a r k i n gc a r d , t e l e p h o n ec a r du s e di n c o m p a n y h i g h e rs e c u r el e v e la n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o na r et h eo u t s t a n d i n gv i r t u c d or e s e a r c ho i lt h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r ef o rt h em u l t i - p u r p o s eo fs i n g l ec a r d ， w h i c hi sb a s e do nt h er e q u i r e m e n t so fc u s t o m e r c o n s i d e r i n gt h el i m i t a t i o no fp o w e r , t w o1 2 8x8 b i te e p r o ma r eu s e dw h i c ha r ef o re x t e n d i n gt h ef u n c t i o nb e s i d e s f u l f i l l i n gt h ep r o j e c td e m a n d s a sa d o p t i n gt h ef u l l - m a s t o m e rd e s i g nm e t h o d , t h e d e m a n d so ft i m i n ga r ew e l lm a t u r e da n dc o m p l e t et h en e e du n d e rh i g h - s p e e d a p p l y s d e sf o re n e r y p t i n gw h i c hi st h es i m p l i f i e dv e r s i o no fd e s f o rl a y o u td e s i g n , a u t o p l a c ea n dr o u t i n gi su s e da n ds u c c e e d e di nd r c 、i s 。 k e y w o r d ：c u s t o m ；i n t e l l i g e n ti cc a r d ；e e p r o m ；e n c r y p t i o n 独创- 陛( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包括其他人已经发表或 撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名 日期：丝o ：f ：哆 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或 使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件， 允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其 它复制手段保存论文。 本人签名 导师签名日期；2 塑 ! ! ：，3 第一章绪论 第一章绪论 1 1 智能i c 卡的起源与概念 人们很久以前就开始使用各种卡片。起初卡片是作为个人身份识别的手段而 引入的。卡片作为交易凭证起源于1 9 世纪8 0 年代，英国的一家大型商店发给客户 一种卡式凭证，用于在的商店购物，每周结算一次。美国的一些商店和饮食业为 了招揽生意，创造了一种类似金属徽章的“信用筹码”，后来演变成塑料卡片作为 客户购货消费的凭证。1 9 5 1 年，美国富兰克林银行作为金融机构发行了集商品流 通和银行资金结算于一体的金融交易信用卡。本世纪5 0 年代中期，出现了冲压成 型的凸字塑料卡，这是一种金融交易卡( v t c ) ，使用该卡可以将卡上的凸字信息即 卡片的发行人和客户帐号印到消费单据上。本世纪6 0 年代中期，人们在f t c 卡背面 贴上磁条，制作成为能够自动读取信息可进行在线处理的磁卡【1 】【2 】。 1 9 7 2 年，法国人r o l a n dm o r e n o 首次提出了智能i c 卡的概念，即将可进行编程 设置的i c ( i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 芯片集成于卡片中。此后，法国b u l l 公司率先对智能 i c 卡进行研究开发与应用。1 9 7 6 年，b u l l 公司高级研究人员u g o n 领导的研究小组 研制出世界上第一张由双晶片( 微处理器和存储器) 组成的c p u 卡，接着又于1 9 7 8 年 研制出了单晶片存储i c 卡。在随后的二十几年中，除了法国的b u l l 公司以外，在 世界范围内先后有m o t o r o l a , t h o m s o n ，h i t a c h i ，o k i ，t o s h i b a , s h a r p ，a t m e l ，g e m p l u s ， s c h l u m b e r g e r , p h i l l i p s 等数十家公司相继投入了对智能i c 卡的研究开发与生产，并 使之逐步成为一个世界范围内的新兴技术产业d 棚。 智能卡的名称来源于英文名词“s m a r tc a r d ”，又称集成电路卡( i n t e g r a t e dc i r c u i t c a r d ) ，1 p i c 卡。它一出现，就以其超小的体积、先进的集成电路芯片技术以及特 殊的保密措施和无法被破译及仿造的特点受到普遍欢迎。它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。 智能i c 卡是把包含有存储、加密及数据处理能力于一体的集成电路芯片镶嵌 在塑料基片中的卡片。具体地说：它是将一个集成电路芯片镶嵌于塑料基片中， 按一定的尺寸封装成卡片的形式，其尺寸为：长8 5 6 0 1 2 m m 、宽5 3 9 8 0 0 6i l l l n 、 厚0 7 6 5 ：0 0 0 8 m m ( i s 0 7 8 1 6 标准) 。智能i c 卡具有暂时性或永久性的数据存储能力， 其内容根据需要可以有条件的供外部读写或供内部信息处理判定之用【刀。 这种既具有智能性又便于携带的卡片，为现代信息的处理和交换提供了一种 全新的手段。1 9 8 7 年，国际标准化组织i s o 为智能i c 卡制定了国际标准( i s o h e c1 , 2 3 ，4 ，5 ，6 ) 。这些标准的制定，为智能i c 卡在世界范围内的推广和应用奠定了基础【7 1 。 图1 1 为智能卡的外形图。 2 智能i c 卡的设计与实现 图l 1 智能卡的外形 1 2 智能i c 卡的分类及应用 智能i c 卡根据卡中所镶嵌的集成电路功能的不同可以分成以下两类：存储 i c 卡和c p u 卡。存储i c 卡可分为存储器卡和逻辑加密卡；c p u 卡可分为普通型 c p u 卡和超级c p u 卡。 1 存储器卡 存储器卡是一种不带c p u 的智能i c 卡，卡内的集成e p r o m 。该卡不能进 行数据处理，不具有智能化的功能，其安全性极差。但是存储器卡的存储容量可 以做得很大，因此该卡可用于没有智能化和安全性要求的产品中。 2 逻辑加密卡 逻辑加密卡是一种不带有c p u 的智能i c 卡，卡内的集成电路为逻辑加密电 路和e e p r o m 。由于逻辑加密电路的存在，所以逻辑加密卡能够进行简单的数据 处理，同时能够提供较高的安全保证。 3 普通型c p u 卡 普通型c p u 智能卡是带有微处理器r ( c p l 0 的存储卡，卡内封装有一个或多个 集成电路芯片。该卡具有暂时或永久存储数据的能力，其内容可供外部读取或内 部处理、判决之用，同时芯片还具有高度的判决、运算和数据处理功能。 4 超级c p u 卡 超级c p u 卡是在普通型c p u 卡中增添数据显示功能( 液晶显示器) 和信息输 入功能( 键盘) 以及电源的多功能c p u 卡。实际上，它构成了一个卡式单片机。 综上所述，内装c p u 的智能卡是一种主动型的智能卡，而存储卡是被动型的 存储卡。主动型智能卡由于能够将加密算法置入卡内，因而具有很高的安全性。 严格地讲，只有逻辑加密卡和c p u 卡才是真正意义上的智能i c 卡。 智能i c 卡上可以印有彩色相片、图案及相应的说明性文字等信息；有的对安 全性要求高的智能i c 卡，其表面印有个人签名，激光全息图像以及类似纸币上的 第一章绪论3 图文等安全标识信息；智能i c 卡的左上角封装有智 l c i li c 5 i 能i c 卡芯片，其上覆盖有6 或8 个触点和外部设备进厂夏 厂苫刁 行通讯嘲。如图1 2 所示。 一r - - - - i ：= ： 按i s 0 7 8 1 6 标准，部分引脚及其定义【9 1 ：l l - 曼三j e lv e e ：i c 卡工作电源； l c ai l a l c 2r s t ：复位信号( 可选) ； c 3c l k ：有关信号的定时与同步；图1 2 智能i c 卡触点位置 c 4 保留使用； c 5 g n d ：地： c 6v p p ：存储器编程电源( 可选) ； c 7 的：i c 卡中串行数据的输入与输出； c 8 保留使用。 目前，智能卡已经在以下领域中获得了广泛的应用【l o l ： 金融服务 通信及信息服务 医疗保健教育 旅游与娱乐政府 。 西班牙塞维利亚世界博览会上使用智能i c 卡用作个人参观证进行出入控制。 该智能i c 卡中存储有持卡人的指纹信息，被称为“生物特征统计信息身份证”。 参观博览会的人都可以办理智能i c 卡参观证。可先在银行支付入场费，然后在装 备有工作站的售票点获取智能i c 卡参观证。这种智能i c 卡具有6 4 k 字节的存储 容量，利用有关的管理信息及持卡人的指纹特征信息对卡进行个人化处理。在博 览会的入口处，持卡人只要把智能i c 卡插入读卡机，并把手指放在指纹识别终端 上，计算机将卡中存储的数字化的指纹信息与实际指纹进行比较，整个判别过程 不超过5 秒钟，检验正确即可让合法的参观者进入大厅；而且所有丢失卡和被窃 取卡都不能使用。从而有效地保证了整个博览会的出入控制和安全管理川。 智能i c 卡应用的一个极为广阔的领域是金融交易，用智能卡来代替目前仍在 通用的磁条卡。尽管智能i c 卡本身的成本相对比较高，但是其本身具有极强的安 全保密功能，因而可以使用智能i c 卡实现分布式处理模式的银行交易通存通兑。 这样，使得许多原来必须采用联机实时处理的业务可以改为脱机批处理，而且系 统的安全性和可靠性得到了充分的保证。 今天，智能i c 卡这一新型的电子技术与信息技术的结晶正在迅速地进入中国 社会生活和人们消费活动的各个层面。当前，我国正在大力开展的“金卡工程” 吸引了越来越多的国人的注意力和兴趣，也引起了社会各界对智能i c 卡极大重视 和青睐。 智能i c 卡又分为接触式i c 卡、非接触式i c 卡及双界面卡( c o m b i c a r d ) - - - 种。 4智能i c 卡的设计与实现 当前使用广泛的是接触式i c 卡，在这种卡上，i c 卡芯片有8 个触点与外界接触， 通过机械触点从读写器获取能量和交换数据。非接触式i c 卡不向外引出触点，通 过线圈射频感应从读写器获取能量和交换数据。因此它除了包含接触式i c 卡的电 路外，还带有射频收发电路，因而又称这种i c 卡为感应式i c 卡，射频( r p ) 卡。 智能i c 卡就是存储数据的信息卡，不同的信息卡具有不同的特点，从表1 1 可以 看出其差别。 表1 1 多种信息卡的比较 卡类m i f a r e 卡 l e g i c 卡 i d 卡接触式i c 卡磁卡 属性 智能卡标签卡 一组密码 智能卡磁记录卡 读写功能读写读写只读读写读写 存储格式1 6 个独立密码一组密码一组密码三个磁道 可靠性数据安全可靠有不稳定易受干扰环境要求严受速度影响 防伪能力极强极易解破无防伪能力极强无防伪能力 防伪模式双向认证 单向认证不认证 防伪手段多 防撞能力有损坏数据无 一卡多用有1 6 种一种交易低频的方面 应用情况应用广泛安防设备考勤及门禁金融商业卡信用卡 i 3 智能i c 卡安全性 i 3 1 智能卡安全特性及实施方法 智能i c 卡是存储重要信息的载体，其所具有的安全技术必须足以保证信息的 安全。一般讲，其信息安全至少应具有以下五个方面的特性： 1 机密性( c o n f i d e n t i a l i t y ) ：防止未经授权的信息获取，如未经授权应无法理解 信息本身的真正涵义等； 2 完整性( i n t e g r i t y ) ：防止未经授权的信息更改，如未经授权，应无法对信息 进行任何形式的更改。一般用于防止对信息的主动恶意的篡改； 3 可获取性( a c c e s s i b i l i t y ) ：防止未经授权的信息截流； 4 真实性( a u t h e n t i c i t y ) ：能通过一系列的技术手段验证信息的真实性； 5 持久性( d u r a b i l i 妫：长时间信息保存的可靠性，准确性等。 智能l c 卡的安全性应从以下三个方面逐步全面实旌： 第一章绪论 5 1 智能i c 卡用芯片制造和芯片运输的安全技术； 2 智能i c 卡硬件的安全技术； 3 智能i c 卡软件的安全技术。 1 3 2 智能卡常见加密算法 智能卡加密算法主要有d e s ( d a t ae n c r y p t i o ns t a n d a r d ) f 1 1 d 3 】和r s a ，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 cc u r v ec r y p t o g r a p h y ) n 纠卯。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。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，其中指纹智能卡就是这样一种智能卡，并已经应用 于p k i ( 公钥基础设施) 中。 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【1 6 j 。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 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 7 l 。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 8 】。 本论文的主要工作是研究并设计了一种智能卡的加密的硬件实现，在机密性、 完整性、真实性等方面做了较为深入的研究。 1 3 。3 安全性的意义 智能卡较高的安全性使其在社会经济、人民生活的诸多领域扮演越来越重要 的角色，主要体现在以下几个方面。 金融交易卡的应用发展走过了凸印字符卡和磁条卡两个历史阶段，目前正在 世界范围兴起革命性的第三代智能i c 金融交易卡。第一代的凸印字符卡由于仅限 于手工处理，从6 0 年代起逐渐被机器可读的第二代磁条卡所取代。磁条卡由于其 信息量有限及可靠性和安全性方面的不足。而智能i c 卡芯片内部采用微处理器结 构和特别研制的防复制防入侵的存储区域，其中固化有可靠性极高的安全控制程 序，从技术性能上讲是对磁条卡的重大改进和发展。智能i c 卡从制造阶段开始， 就采取了一系列严格的安全措施，在其不同的个人化处理及启用的各个阶段，每 张卡内都设立了相应的跟踪记录密码，不同的阶段使用不同的加密密钥，逐级鉴 别，严防假冒。智能i c 卡中有关客户的交易信息以及客户密码( p r n ) 的存取传输 都是通过专用密钥以加密方式进行的，可有效防止被窃取和被破译。正是由于智 6智能i c 卡的设计与实现 能i c 卡的这种特强的安全保密性能及其可以存储、处理信息的方便性，使其显示 了巨大的优越性和生命力。智能i c 卡不仅在传统的信用卡( c r e d i tc a r d ) 和借记卡 e b i tc a r d ) 两个业务类别逐渐担当起重要的角色，而且还产生了一种新型的金融 交易卡现金卡( c a s hc a r d ) 。这种智能现金卡高度安全可靠，可完全脱机使用， 完全可以代替现金进行消费和支付，成为名副其实的“电子货币”【刀。 随着人们对通信手段的要求不断提高，世界各国的手持式移动电话得到迅速 发展，各种区域性的、全球性的电话漫游通信给人们的信息交流带来极大的方便。 但是，各种针对移动式电话的高技术智能性犯罪也应运而生，各种偷窃用户密码、 大量恶意透支电话费的案件层出不穷，给电信部门及用户都造成了巨大的损失。 为了将方便与安全统一，入们将智能i c 卡引入移动式电话中，智能i c 卡中存储 有用户的个人标识等有关机密信息以及用户的财务信息，通过智能i c 卡可对通话 进行严密可靠的控制，通信网络借助智能i c 卡可方便地识别电话用户并按照通话 次数、距离、时间，自动地进行话费结算，从而极大地方便了使有和管理。 智能i c 卡安全技术在军事领域的应用也取得了极大的发展。美国军方已将智 能i c 卡技术实际应用于其作战指挥系统。其作战指挥信息系统通过卫星及无线通 信方式覆盖到作战连队，每个连队都装备有终端，连队指挥官持有一张载有各种 个人标识及机密信息的智能i c 卡，通过其本人使用的密码、指纹及其他特殊信息 的验证方可进入系统与上级联络或者接收作战指令，智能i c 卡系统不仅能识别连 队指挥官的密码及指纹信息。大大提高了部队指挥作战的机动性和正确性。 1 4 本文研究的目的和意义 近年来，随着我国“金卡工程”的大力开展，智能i c 卡这一新型信息技术的 结晶正在迅速地进入社会生活和人们消费活动的各个方面。由于智能i c 卡在各种 应用中所承担的特殊性工作，使得智能i c 卡多功能性以及安全性研究无疑有着十 分重要的意义。 本论文课题来源于大型综合性场所，如酒店、公司内部门禁打卡、日常消费 的要求。针对人们对卡的依赖性的增长，一卡多用已经成为发展趋势，而其安全 性也尤为重要。本论文设计的智能i c 卡具有方便快捷，功能多样，高安全性，低 功耗等优点。 当前在世界范围内，智能i c 卡的安全性研究刚刚起步，系统全面的以智能 i c 卡安全性为对象的专题研究比较少。智能i c 卡的开发，为人类更加方便快捷 的生活提供了可能，在金融、医疗、通信、交通等领域发挥着越来越重要的作用。 而智能1 c 卡安全性研究对于智能i c 卡芯片的开发、智能i c 卡应用系统的发展都 有着十分重要的意义。 第二章智能i c 卡系统硬件设计7 第二章智能1 0 卡系统硬件设计 2 1 概述 电路共分为九大部分：时钟产生模块，数据串口模块，自举模块，外部串口 模块，数据装定反馈模块，e e p r o m 及寄存器组模块，定时器模块，时间校正模 块，以及编码输入模块。逻辑结构框图、管脚功能定义及外部接口如图2 1 所示。 c l k p 1 1! i m 盘小，1 1 一、镕“ ， ic l k 墟 c l o c k d b a c 蜜 s a f e _ | 志ft j u s t s c n i n q i 数据串口目j 一一铥簇夹 s e 2 a f f l 基。! 曩i 定 l 墼至p 。i 骠烹引i 7 i i 谨话 s d a ：，目： 卜。 ：时 l 串口 i ；鼍 r 4 一i q n 矗 r一 。 器 r 】寄存器组 r e s e t 1i f圆圈i 嗣一 五 剑 ll 1 一 r j0 全局状态控制寄存器数据 h：0 6 存储) l 1 + 、r 地 图智能i c 卡逻辑图 为表述方便，本论文用分别表示寄存器中单元，用 表示单元中b i t l 5 b i t o 。 外部接口如下表： 表2 单元各位对应表 序号名称功能 lx 1 a lr 带激励的晶体振荡输入 2x t a lc 带激励的晶体振荡输出 3x t a l q 晶体振荡输入 4r e 复位 5 装定数据输入 6 f e 信息反馈 7 指令信息编码输入 8 定时器启动 9 定时器输出 8智能i c 卡的设计与实现 1 0t i m e r 3 s 定时器1 提前1 s 输出 1 1 s t a l 位定时器2 启动 1 2t i m e r 2定时器2 输出 1 3c l o c k 外部计时基准时钟 1 4l k h z 1 k h z 时间基准 1 5s c k1 2 c 协议时钟 1 6s d a 1 2 c 协议数据 1 7 t j u s t 修正时间输入 1 8s a f e状态识别输入 1 9s t a t e l功能1 输出 2 0s t a t e 2 功能2 输出 2 1 s t a t e 3功能3 输出 2 2 p 1 1 振荡频率选择端 2 3v d d 芯片电源 2 4g n d 芯片地线 该电路的九大模块中，数据串口模块又包括数据接收模块、读模块、写模块、 e e p r o m 控制模块，定时器模块又包括定时器定时启动选择模块、定时器功能模 块、l o o m s 脉冲产生模块以及数字编码输出模块，数据装定反馈模块又包括状态 识别反馈模块和装定反馈模块。详细介绍如下。 2 2 时钟模块 该模块用于接收输入时钟( e l k ，c l o c k ) ，并与一些控制信号( r 6 中的b 5 ， b 1 2 ，b 1 3 ，b 1 4 ，b 1 5 ，以及振荡频率选择端p 1 1 ) 作用产生后续电路将要用到的 各种不同频率的时钟( c l k l k ，c l k l k b ，c l k 4 k b ，e l k 2 5 k ，c l k 2 5 k b ，e l k l 0 0 k b ，e l k t l ， c l k t 2 ) 与提前3 秒输出的使能信号( e n l m s ) 。 该模块内部有两个功能模块1 l l ( 与d i v l 0 0 0 。 图2 2e l k 模块电路图 第二章智能i c 卡系统硬件设计9 2 2 1 模块c k c l k 模块如图2 2 所示，其主要功能是在不同的装定频率和装定方式下，产生 不同频率的时钟信号。详见表2 2 0 表2 2 不同装定频率与方式下产生的系统时钟 p a d lr 6 bc l k 2 5 kc n 【1 0 0 c l kc l k l kc 墩l k bc l k 4 k bc l 垃5 k c l k l p f 15bk b o ol k h z1 0 蛆z 6 4 k h z2 5 i 沮z 2 5 6 k h1 0 0 妞2 5 6 i d 4 0 9 6zzz z1 0 0 娜 2 5 6 k h o1l k h z1 姐z4 k h z2 5 l 沮z2 5 i 出k z z 1ol k h z1 0 虹l z0 k h z2 5 l 心k0 k h z 1 0 0 娜1 0 0 k h 1 0 0zz k h 21 0 咄1 0 0 l d 11l k h zl 眦4 k h z2 5 l 沮z2 5 娜z zz 不论p a d l l 与b 5 取何值，c l k l k 始终为l k h z ，c l k 2 5 k 始终为2 5 k h z 。 该模块包含三组计数器1 1 ，您，1 3 ，其中i l 与1 3 各有两个触发器，1 2 由十个 触发器组成。所有的c l r 端均为统一的r e s e t 。1 1 由p a d l l 的反信号和外部时钟e l k 相与作为门控时钟，其输出q 经反向后作为1 2 的时钟。1 3 的时钟由p a d l l 决定， 为外部时钟e l k 或1 4 0 的外部时钟e l k 。 p a d l l = o 时，1 1 、1 2 、1 3 均正常计数，并与分频器共同作用产生不同频率的 信号，由选择端p 5 选择输出。 p a d l l = l 时，i l 、1 2 不进行计数，1 3 正常计数，与分频器共同作用产生不同 频率信号，由选择端p 5 选择输出。 低功耗设计：各计数器均采用异步时序，动态功耗以指数方式递减。例如， 1 2 为l o 个触发器异步级连，其动态功耗小于两个采用同步时序的触发器。 分频模块d i v l o b 与d i v 2 5 b ，两者原理相同，区别在于计数大小不同。 模块d i v l o b ，采用5 位异步减计数器，装定初值为5 b 1 1 0 0 0 ，减计数至 5 b 1 0 0 0 0 后循环，由于触发器有门延迟，装定后的初值在第二个时钟上升沿到来 时改变，故该初值会持续两个时钟周期，从而减计数器一个循环所用的时间为1 0 个时钟周期，计数至5 b 1 0 1 0 0 时使输出反向，便得到了对输入时钟的1 0 分频。 模块d i v 2 5 b ，装定初值为5 b l1 0 0 0 ，减计数至5 b 0 0 0 0 1 后循环，完成对输入 时钟的2 5 分频。 用此种方法实现奇数( k ) 分频时，无法做到l ：1 ，实际占空比为( k + 1 ) 彪： ( k _ 1 ) ，2 。当然，有可以对2 5 分频实现l ：l 的分频电路，鉴于在此使用分频的目 的并非要得到l ：1 的分频而是需要每2 5 个时钟周期输出一个高电平，故1 2 ：1 3 1 0智能i c 卡的设计与实现 的分频完全可以满足要求。 2 2 2 模块d i v l 0 0 0 图2 3d i v l 0 0 0 模块电路图 图2 3 为该模块实际电路图，主要功能是产生c o u a t l 与c o u n t 2 计数所用的 时钟c l k t l 与e l k t 2 ，并产生提前三秒输出使能端c a l m s 。 c l k t l ：r 6 b 1 3 ，r 6 b 1 2 分别等于2 b o o ，2 b 0 1 ，2 b 1 0 时，选通的信号的频率 分别为1 1 0 ，l ，1 1 0 0 0 0 倍c l k l k 的频率，从而周期成为l o i n s ，l m s ，1 0 s ；等于2 b l l 时，选通外部时钟c l o c k 。r 6 b 1 3 = 0 ，r 6 b 1 2 = 1 时，提前三秒输出使能端e n l m s = lo c l k t 2 ：r 6 b 1 5 ，r 6 b 1 4 为选择位，选择方式与c o u n t l 一致。 提前三秒输出的功能由定时器1 完成，分为北京时间和相对时间两种情况。 r 6 6 4 = l ，采用北京时间装定方式，不要求提前三秒输出。( 实质：有提前输 出的要求，但采用北京时间装定方式时，r 6 b 1 5 = l ，r 6 b 1 4 = 0 使c l k t l 周期为1 0 s ， 而提前输出端比正常输出端早1 个时钟周期有效，完全满足提前3 s 的要求) r 6 6 4 = 0 ，采用相对时间装定方式，r 6 b 1 3 ，r 6 b 1 2 只能被赋值2 b o o ，2 b 0 1 。 r 6 b 1 3 ，r 6 b 1 2 取值2 b 0 1 时，e n l m s = l ，使t i m e r a l 中的延迟为3 0 0 0 倍时钟周 期( 1 m s ) ，即3 s ；取值2 b o o 时，e n l m s = 0 ，延迟变为3 0 0 倍时钟周期( 1 0 m s ) ，亦 为3 s 。从而满足在相对时间下提前三秒输出的要求。( 该功能在d i v l 0 0 0 与a d d e r l 6 模块中实现) 第二章智能i c 卡系统硬件设计 2 3 1 模块电路设计 2 3 数据接收模块 图2 4 接收模块电路图 图2 4 为该模块电路图，如图所示，该模块对装入的s e t t i n g 数据进行识别、 解码，并输出地址、控制以及数据信号给后续模块以产生正确的操作。还可过滤 毛刺，在一定范围内实现纠错。数据发送过程中，r e a d 有效时数据发送暂停，r e a d 结束后继续发送。 装定功能位定义是一个一位1 6 进制字节，具体分配如表2 5 所示。 定义详情： 1 r 6 b 4 = 0 ，则按相对时间装定系统，定义如下： 当指令是一个“读”或者“写”操作时，p q ：0 表示操作地址。 当指令为“状态识别”时，后续p 和后续1 6 位数据无实际意义。发送 这些数据只是为了数据格式的完整性。 表2 3 装定功能位定义分配表 装定指令位定义 1 相对时间装定系统( 芯片功能选择位r 6 b 4 = 0 ) p 7 p 6 p 5l p 4 p 3 p 2 p 1p 0 装定功能指令：0 0 0 0 ：空操作0 0 0 1 ：读0 0 1 0 ：锁定0 0 1 1 ：对应功能的数据信息存储 解锁0 1 0 0 ：传输数据0 1 0 1 ：状态识别0 1 1 0 写操作( 为 地址( 为接受数据的第5 位到第 接受数据的前4 位)8 位) 2 北京时间装定系统( 芯片功能选择位r 6 b 4 = 1 ) p 1 1p 1 0p 9p 8p 71 ) 6p 5p 4p 3p 2p lp o 为接受数据的前4 位为接受数据的第5 位到第1 2 位 1 2智能l c 卡的设计与实现 当指令为“解锁”时，u n l o c k = l ，p 妈：o 无实际意义。后续1 6 位数据作为密 文，和存予r 5 单元中的密钥k e y 进行解密，再与存于i ( 7 单元中的d 进行比较。 如果结果为l ，则地址输出a d d r 的最高位被置高，使e e p r o m 开放全局访 问权限。如果为0 ，则其最高位为低，e e p r o m 访问权限不发生变化。( 芯片默 认状态只开放o x 8 一o ) 口的访问权限) 当指令为“锁定”或者“传输数据”，则芯片不产生操作。 2 r 6 b 4 = l ，则选择北京时间装定系统，定义如下： 如果p 9 = 0 ，则数据识别方式为北京时间。p 8 为北京时间数据高、低位识别 码；如果p $ - - o ，表示输入数据为对应北京时间( 此处的“对应北京时间”指对应 的当前北京时间或者启动北京时间) 的高1 2 位；p 8 = l ，表示输入数据为对应北京 时间的低1 2 位。p 7 一p o 与芯片内部m 后8 位比较，如果比较结果相同，则按照 地址位信息存贮分配表将1 2 位数据写入e e p r o m 。 p l l 为1 时查询功能( 读指令) ，为0 时装定功能( 写指令) 。 p 1 0 为l 时对应当前时间，为0 时对应启动时间。 如果p 归l ，则数据识别方式为相对时间。p i i - p 8 为功能位，p 7 一p 4 为 e e p r o m 的地址位，最后1 6 位为参与操作的数据位p 1 1 p 1 0 p 9 p 8 = 0 0 1 x 时，为写 操作；p 1 1 p 1 0 p 9 p 8 = 1 1 1 x 为读操作，p 1 1 p 1 0 p 9 p 8 = 0 1 1 x 时，为解锁指令。如果 指令为”解锁”时，则启动后续1 6 位数据作为密文，和密钥k e y 进行解密，再与 m 进行比较。如果结果为1 ，则e e p r o m 开放全局访问权限。如果为0 ，则髓p r d m 访问权限不发生变化。( 芯片默认状态只开放0 x 8 一o ) 西的访问权限) 。虽然 e e p r o m 全局权限开放的指令为相对时间方式装定，但是一旦开放，同样对北京 时间系统有效，直到芯片掉电。 2 3 2 数据传输格式 数据发送格式由信息头、功能位编码、地址位编码、数据位编码、结束位五 部分组成。发送波形示意图如图2 5 所示。 所有装定信息的十六进制数据采用g f ( 7 ，4 ) 自校正循环汉明编码，芯片内部 接收数据时要进行译码，编码译码方式见附件，所有的芯片反馈信息如果需要g f ( 7 ，4 ) 编码，则按照附件中规定方法重新编码。 l1 7 b i t 编码i7 b i t 编码i7 b i t 编码ln i t 编码in i t 编码l7 b i t 编码il i 翘0 型啸些堕鼻燮l o 赫， 图2 5 发送波形示意图 第二章智能i c 卡系统硬件设计1 3 1 信息头格式 信息头格式为低电平，且持续时间不小于3 m s 。具体格式如图2 6 所示。 图2 6 信息头数据定义格式 2 信息“0 ”电平格式 二进制信息“o ”电平定义格式为：低电平持续时间2 5 0 u s ，高电平持续时间 2 5 0 u s 。具体如图2 7 所示。 图2 7 。0 ”电平波形图 3 信息“1 ”电平格式 二进制信息“1 ”电平定义格式为：低电平持续时间2 5 0 u s ，高电平持续时间 5 0 0 u s 。具体如图2 8 所示。 盈l 刁 ： “” ： 图2 8 “1 ”电平波形图 4 结束位格式 信息发送采用变数据长度协议，如果只需发送功能位编码和地址位编码，则 发送完毕马上发送结束位；如需发送数据位编码，则发送完功能位编码、地址位 编码和数据位编码后立即发送结束位，结束位定义： 低电平持续时间不小于3 m s 。具体如图2 9 所示。 图2 9 结束位波形图 定时器接收到完整的装定信息后根据协议进行译码，每7 b i t 数据译码出4 位 有效数据，具体译码方式见附件。同时，把信息存储在片内e e p r o m 中。而后 作出相应处理。 上述描述为感应装定数据格式和时间信息，如果是线装定时，数据格式按上 述格式的1 1 0 输入。 珥 1 4智能i c 卡的设计与实现 2 3 3 位识别模块 图2 1 0 位识别模块电路图 图2 1 0 为该模块电路图，其主要功能是产生f r a n l e 帧信号。当s e t t i n g 信号到 来时，产生高电平有效的帧信号( f l a m e ) ，s e t t i n g 信号结束后，f l a m e 清0 。 该电路同时对s e t t i n g 信号进行识别，过滤。采用4 位异步计数器，以s e t t i n g 作为c l r 端，当s e t t i n g 持续4 个时钟周期( 1 6 0 m s ) 的高电平后，该信号被视为有 效的高电平，输出d a t a = l ，当s e t t i n g 为o 或持续少于4 个时钟周期的高电平， 该信号被视为低，输出d a t a = 0 。 产生一个在发送s e t t i n g 信号时有效的时钟信号e l k o u t ，其上升沿较s e t t i n g 上 升沿迟两个d k 2 5 k 周期，下降沿与s e t t i n g 下降沿同时到来。并用其下降沿触发 s h i f t 模块的两级计数器。 2 3 4 串并转化模块 图2 1 1 为串并转化模块图，功能为对经过滤波的有效s e t t i n g 信号进行识别， 解码，输出有效的控制、地址、以及数据信号，并对1 6 位数据信号进行锁存输出。 1 c o u n t e r 7 模块 采用3 位同步计数器，丘a l - r e 与r e s e t 均可将计数器清0 ，以b i t 模块的g r o u t 的反信号作为时钟，在发送s e t t i n g ( f l a m e 有效) 期间进行计数，从0 0 0 计数至 1 0 0 。开始时( 计数0 0 0 ) ，产生使能信号w o r d e n 。当计数至1 0 0 时产生清0 信号 s e t 0 ，将计数器的输入端清0 ，重新计数。 2 c o u n t e r 6 模块 采用3 位同步计数器，以f r a m e 作为c l r 端，时钟与c o u n t e r 7 相同，以c o u n t e r 7 第二章智能i c 卡系统硬件设计 的s e t o 作为信号进行计数，若s e t 始终为0 ，则从0 0 0 到1 1 1 计数。当发送完 一帧4 2 位数据后，w o r d 被置1 ，后续电路正常工作，若发送数据不是4 2 位，则 w o r d 为0 ，使后续电路停止工作，( 此时计数器仍在计数) 满足了用户对s e t t i n g 必须为4 2 位才有效的要求。 m c l k r e s e l f r a m e d a t o i n 图2 1 1 串并转化模块电路图 3 s h i f t 6 模块 将串行输入的有效装定数据d e t a i n 移位并行输出。并由s e t o 作为清0 信号， 当s e t o 为高，即进行数据读入时，正常移位输出，当s e t o 为低，数据读入结束时， 移位输出被清0 。 4 d e h a m m i n g 模块 标准汉明码解码模块，可实现7 4 汉明解码，并可对一位错误纠错。 5 d e c 3 6 模块 3 6 译码模块。译码输出e n 。对应关系如表2 4 ； 表2 4 译码器对应输出表 l 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 i 0 1 1 l 1 0 01 0 1 f 1 1 0 i 1 1 1 i l0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 010 0 0 1 0 0f0 0 1 0 0 010 1 0 0 0 01 0 0 0 0 010 0 0 0 0 010 0 0 0 0 0i 其中，从0 0 0 到1 0 1 共6 个状态分别对应所接收的第一到第六组数据，l l o 代表对有效数据的接收完毕，若继续有数据进入计数至1 1 1 或开始新一轮计数， 则其对应的输出因为后续电路停止工作而无效。 6 r e 9 2 4 模块 对解码得到的4 位装定数据以e n 作为选通信号，输出给地址、控制、 或数据信号。 实际工作中，每4 2 位数据被汉明解码为2 4 位数据，其中，前4 位被输出至 控制信号，第二个4 位被输出至地址信号，后1 6 位被输出至数据信号。 7 1 a t c h l 6 模块 对输出的1 6 位数据信号进行锁存输出。目的在于在读操作结束后再向 雎p r o m 中写入1 6 位数据。以避免因数据接收速度快于读操作而造成的漏帧。 1 6智能i c 卡的设计与实现 2 3 5 地址产生模块 图2 1 2 地址产生模块 图2 1 2 为地址产生模块的电路图，在r 6 b 4 ，r 6 b 8 等取不同值时，按照协议规 则对由s h i f t 模块得出的命令、地址、数据进行计算，得出地址信号，并给出两个 使能信号。 将4 位地址作为高4 位，数据位的高4 位作为低4 位与d 的后8 位进行比 较产生使能信号e l i 。相等则= l ，否则e n d 0 。 将控制位的低2 位作为高2 位，4 位地址位作为低4 位与m 的后6 位进行比 较产生使能信号e n 2 。相等则e n 2 = 1 ，