接触式CPU卡中T=0异步半双工字符传输协议的硬件实现
摘 要：T=0异步半双工字符传输协议是接触式IC卡国际标准ISO/IEC7816中规定的一种通信协议。本文首先分析了ISO/IEC 7816－3中对于电信号和传输协议的规定,在此基础上介绍了T＝0异步半双工字符传输协议的硬件实现方法。
关键词：ISO/IEC 7816;异步半双工字符传输协议;CPU卡
引言
CPU卡作为IC卡家族中功能最强、安全性最高的成员,已经逐渐在各种应用中占据主导地位。在ISO/IEC 7816－3中介绍了两种通信协议：T=0和T=1通信协议。T=0是异步半双工字符传输协议,T=1是异步半双工块传输协议。目前大多数接口设备都支持T=0通信协议,因此该协议应用较为广泛。
T=0通信协议可以通过软件编程来实现。但在软件实现过程中,需要通过软件编程来控制数据收发,对于实时性很强的通信处理,CPU的处理能力常常满足不了要求,而且通信的可靠性和稳定性也不是很理想,而硬件电路实现不存在上述问题。
传输协议描述
ISO/IEC 7816-3规定了IC卡的电气特性和传输协议。包括该类卡和接口设备间的电源、电气信号协议和信息交换协议。通信过程中,由接口设备给IC卡提供电源(Vcc),复位信号(RST)和时钟(CLK),卡和接口设备间通过I/O端口进行串行通信。
定义I/O端口有两种可能状态：
传号或高电平(状态Z)：当卡和接口设备均处于接收状态时,I/O端口处于状态Z。也可由发送方强制定义为状态Z。
空号或低电平(状态A)：可由发送方强制定义为状态A。
根据T=0异步半双工字符传输协议,IC卡和接口设备之间以字符为单位(简称字符帧)进行传输,采用偶校验,每个字符由10bit组成,如图1所示。传输字符帧之前,I/O线处于状态Z,第1bit为起始位(状态A);后面8bit为数据位D1~D8;第10bit为偶校验位,即8位数据和奇偶校验位中1的个数为偶数。
串行通信是按位传送的,每位信息宽度(持续时间)定义为基本时间单位etu(elementary time unit)。在复位应答期间的信息宽度称为“初始etu”,它等于372个时钟周期,即1etu = 372/f 。复位应答后的信息宽度称为“当前etu”,其计算公式为：
当前etu
其中：F是时钟频率变换因数;D是比特率调整因数;f是时钟频率。
硬件实现方案
按照上述标准实现的可编程串行接口系统如图2所示。
可编程串行接口内部的特殊功能寄存器有：
1. 串行接口控制/状态寄存器SCON(复位后为00H)。
寄存器各位定义如下：
SCON[0]：接收中断标志位;
SCON[1]：发送中断标志位;
SCON[2]：发送出错标志位;
SCON[3]：接收出错标志位;
SCON[4]：允许发送标志位;
SCON[5]：允许接收标志位;
SCON[6]：保留;
SCON[7]：可编程串行接口允许标志位。
SCON[4]、SCON[5]不能同时为1,否则I/O接口将处于逻辑混乱状态。
2.串行接口数据缓冲器SBUF(复位后为00H) 。发送时,SBUF作为发送数据缓冲器,用于缓存待发的数据。接收时,SBUF作为接收数据缓冲器,用于缓存收到的数据。
3. 波特率寄存器MR、BR (复位后MR=0BH,BR=13H,串行接口工作于基本速率)。为了简化硬件电路设计,将复位应答信号中TA1包含的F1和D1对应的波特率译码工作交由软件完成,由软件设置通信波特率。内部13bit定时器根据波特率寄存器MR、BR 值( &)对CLK信号 进行分频,以确定信息宽度。因为1etu,所以MR,BR寄存器设定为MR[7?]&BR[4?]= -1,例如,基本速率时,F＝372,D＝1,可得,设置MR＝0BH,BR=13H,即“00001011,10011”=
