智能卡技术: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/IEC 7816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”=371；对于手机中常用的增强速率，F＝512，D＝8，可得，设置MR=01H，BR=1FH，即“00000001,11111”=63。
下面介绍可编程串行接口的工作过程。在发送和接收数据前，按以下步骤初始化串行接口：
1. 根据应用，通过设置MR、BR寄存器来设定通信速率。
2. 清除SCON[0]和SCON[1]中断标志。
3. 置位串行接口允许标志位SCON[7]，使能串行接口。
初始化工作完成后，可选择发送模式或接收模式。
发送模式
首先将发送数据写入SBUF，数据移位寄存器data_shift_reg [10~0]将自动写入 “ ”，其中P为奇偶校验位，为欲发送数据，0为起始位，1代表状态Z，最低两位“01”用于产生起始位下降沿。
置位SCON[4]，数据开始发送。根据波特率寄存器中设置的值，接收/发送控制模块中，13位定时器在每位数据将结束时产生计数脉冲。当计数脉冲有效时，数据移位寄存器右移1位，最低位输出到I/O线，最高位补入I/O线采样数据。
当校验位发送完毕后，I/O线变为高阻态，发方在11etu处对I/O线进行采样，如果为状态Z，则认为接收正确；如果为状态A，则认为传输出错，根据结果刷新串行接口控制/状态寄存器中相应位。
当一帧数据发送完毕后，无论发送是否正确，SCON[1] 都将硬件置位，产生发送中断申请。如果发送正确，SCON[4]将被硬件自动清0；如果发送出错，发送出错标志位SCON[2]将被硬件置位，SBUF中的数据将从检测到错误那一刻起2etu后自动重发，如图3所示。在重发完毕前，必须软件清除SCON[1]及发送出错标志位SCON[2]，否则将会出现循环重发错误。
接收模式
置位SCON[5] ，系统处于接收状态。
起始位的检测是通过对I/O线进行周期性采样判决得到的。为了提高抗噪声性能，当检测到起始位后，在每位数据中间进行3次采样，根据采样判决结果产生采样数据，根据波特率寄存器中设置的值，接收/发送控制模块中13位定时器在每位数据中间产生计数脉冲。在计数脉冲控制下，将采样数据串行移入数据移位寄存器。
当一帧数据接收完毕后，进行数据校验。根据校验结果，在起始位下降沿后第10.5个etu起发送确认位。确认位为状态Z，表示接收正确，为状态A，表示接收出错。确认位信号宽度为1个etu，如图4所示。无论接收是否正确， SCON[0]都将在起始位下降沿后第10.5个etu置位，产生接收中断，并根据校验结果刷新串行接口控制/状态寄存器中相应位。如果正确接收，SCON[5]将被硬件自动清除，数据移位寄存器中收到的8bit数据将自动加载到SBUF中；如果不正确，则置位接收出错标志位SCON[3]，等待数据重发。软件清除SCON[0]和SCON[3] 必须在下一帧数据接收完毕前完成。
由于设有数据移位寄存器和SBUF缓冲器，从而能在一帧数据接收完，由数据移位寄存器装入SBUF后，立即开始接收下一帧信息，CPU应在下一帧数据接收结束前从SBUF缓冲器中将数据取走，否则前一帧数据将丢失。
通过上述可编程串行接口，当接收或发送完一帧数据后，内部硬件自动置位SCON[0] 或SCON[1]，CPU可以通过查询中断标志位或响应中断申请来进行串行通信处理。两个中断请求标志位不能由硬件自动清0，而必须通过软件清0。

结语
ISO/IEC 7816，T=0异步半双工字符传输协议的硬件实现电路具有如下特点：对每位数据采取多次采样判决的方式，提高了接口抗干扰能力；通信波特率软件可调，满足不同系统对通信速率的要求；T=0协议基于字符帧检错重发。为了避免可能出现的无限次的重发现象，在软件中可设置最大重发次数。同T=1协议相比，在通信质量不理想的情况下，T=0协议只需要重发错误字符帧，提高了工作效率。■

参考文献
1 International Standard ISO/IEC 7816-3 . Identification cards. Integrated circuit(s) cards with contacts，Part 3：Electronic signals and transmission protocols，1997
2 王爱英. 智能卡技术－IC卡第二版. 清华大学出版社，2000.10

作者简介：
龚宗跃，工程师，硕士，研究方向为数字集成电路前端设计；孙东昱，工程师，硕士，研究方向为数字集成电路前端设计。