DSP與IC卡接口設計

文章出處：http://psychicreadingswithdeb.com 作者：北京郵電大學(xué) 張彬   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年11月02日

摘　要: 本文給出兩種IC卡(存儲卡和智能卡)結構、讀寫(xiě)操作以及與DSP接口設計。
關(guān)鍵詞: IC卡；存儲卡；智能卡；DSP

圖1 AT24C16SC結構框圖

圖2 AT24C16SC時(shí)序圖

　　隨著(zhù)社會(huì )信息化程度的提高，IC卡的使用越來(lái)越普遍。IC卡分為接觸式和非接觸式兩種。接觸式IC卡分為存儲卡和智能卡(又叫作CPU卡)。本文討論了如何使用DSP的GPIO(通用輸入輸出)接口實(shí)現與IC卡的通信。

　　圖3 寫(xiě)卡操作命令時(shí)序圖

　　圖4 讀卡操作命令時(shí)序圖

　　DSP和存儲卡接口
　　存儲卡只具有存儲功能，是一片串行的EEPROM。以AT24C16SC為例，支持3V和5V電源，存取速度可達100KHz(3V)和400KHz(5V)；容量為16Kbit，分為128頁(yè)面；雙向數據線(xiàn)(SDA)為OD(Open Drain)驅動(dòng)，需加上拉電阻方可實(shí)施通信。該芯片可擦寫(xiě)10萬(wàn)次，內部數據可保持100年，具有3000V以上高壓保護。內部結構如圖1。
　　存儲卡訪(fǎng)問(wèn)時(shí)序為I2C標準時(shí)序：在時(shí)鐘線(xiàn)(SCL)為低時(shí)通過(guò)SDA實(shí)施對芯片讀寫(xiě)；當SCL為高時(shí)，SDA處于保持狀態(tài)(即數據有效期)。當SCL為高時(shí)，SDA的變化表示芯片處于不同狀態(tài)：
　　●　開(kāi)始狀態(tài)：當SCL為高時(shí)，SDA由高變低表示一個(gè)開(kāi)始狀態(tài)，任何操作前均需一個(gè)開(kāi)始狀態(tài)。
　　●　停止狀態(tài)：當SCL為高時(shí)，SDA由低變高表示一個(gè)停止狀態(tài)，跟在每個(gè)操作后，將卡置于等待(Stand by)模式。
　　在讀寫(xiě)時(shí)，地址和數據都是按照8bit的大小進(jìn)行傳輸，接收的一方需要返回一個(gè)ACK信號表示確認，這個(gè)ACK信號用在第9bit的位置返回一個(gè)‘0’來(lái)表示。在讀卡操作時(shí)，DSP在收到8bit后，第9個(gè)clock時(shí)應向卡發(fā)送‘0’，表示收到了正確的數據同時(shí)要求卡繼續發(fā)送下一組8bit數據，如果沒(méi)有這個(gè)ACK信號，則卡就會(huì )中止當前讀操作返回等待模式。在寫(xiě)卡操作時(shí)，卡收到DSP發(fā)送的地址和數據后也應返回一個(gè)ACK信號，表示收到了正確的命令。開(kāi)始和停止狀態(tài)、確認信號時(shí)序圖如圖2。
　　一個(gè)讀寫(xiě)操作的開(kāi)始需要先發(fā)送一個(gè)Device Address字節，這個(gè)字節的高4bit是“1010”，接著(zhù)3bit是卡的高位地址，比如AT24C16SC需要有11位地址(2K字節的大小)，高3bit地址就是這里來(lái)指示，最后1bit是讀寫(xiě)控制bit，若為‘1’，則表示后面進(jìn)行一個(gè)讀操作，若為‘0’，則表示后面進(jìn)行一個(gè)寫(xiě)操作。
　　寫(xiě)卡操作分為字寫(xiě)和頁(yè)寫(xiě)。字寫(xiě)時(shí)，當發(fā)送完Device Address字節(最后1bit為‘0’)后，發(fā)送一個(gè)Word Address字節(卡的低8位地址)，接著(zhù)發(fā)送一個(gè)字節的數據，最后發(fā)送停止狀態(tài)。頁(yè)寫(xiě)時(shí)，可連續發(fā)送16個(gè)字節數據后再發(fā)送停止狀態(tài)位。需要注意的是頁(yè)寫(xiě)時(shí)，低4位地址是卡內部自增的，當到達頁(yè)末地址時(shí)會(huì )自動(dòng)返回頁(yè)首地址，所以要正確發(fā)送停止狀態(tài)，否則繼續寫(xiě)入的字節就會(huì )覆蓋原來(lái)的數據(命令時(shí)序圖見(jiàn)圖3)。
讀卡操作分為讀當前地址、讀任意地址和順序讀三種方式。以讀任意地址為例，在發(fā)送完Device Address字節(最后1bit為‘1’指明讀操作)后，發(fā)送Word Address字節，這一過(guò)程是要裝載要讀的地址，再發(fā)送一個(gè)Device Address字節(同樣最后1bit為‘1’指明讀操作)，便可從卡讀取一個(gè)連續8bit數據，最后發(fā)送停止狀態(tài)(而不是ACK信號)結束讀操作(命令時(shí)序圖見(jiàn)圖4)。
　　以上分析可見(jiàn)，DSP與存儲卡接口的關(guān)鍵就是如何產(chǎn)生SCL和SDA時(shí)序。將DSP的GPIO接口分別與存儲卡的SCL、SDA連接。需要注意的是，因為DSP的工作頻率很高，改變狀態(tài)之前需要插入等待周期。
寫(xiě)卡的函數編程實(shí)例從略(基于C5409)。


圖5 智能卡的復位應答



圖6智能卡的訪(fǎng)問(wèn)時(shí)序


　　DSP與智能卡接口
　　智能卡內部有CPU、ROM、RAM、EEPROM等資源，卡內駐有智能卡操作系統(COS)，實(shí)施對卡的管理和維護。因為卡內有CPU和RAM，可根據需要進(jìn)行一些運算和數據加密，卡內EEPOM用于存放用戶(hù)資料(容量也較存儲卡大)。智能卡較存儲卡功能更強，更安全(數據都受到加密保護)，因而應用面更廣，價(jià)格也比存儲卡高。
　　智能卡的操作遵循ISO7816－3規范，通信時(shí)序類(lèi)似于雙向RS－232通信協(xié)議。操作前需要對卡進(jìn)行激活，激活的步驟為：VCC供電、RST為低、I/O設為輸入、提供CLK；之后對卡進(jìn)行復位，復位分為冷復位和熱復位，兩者區別在于冷復位時(shí)RST由低變高，而熱復位時(shí)RST由高變低再變高。復位后，卡應發(fā)出復位應答；DSP接收到卡的復位應答后，便可向卡發(fā)送指令。取卡前需要進(jìn)行“釋放”，步驟順序與激活相反：RST變低，CLK變低，VCC掉電。
　　卡的復位應答信息的組成如圖5。
　　TS：初始化字節，用來(lái)進(jìn)行bit同步和指示后續通信的編碼方式，例如0x3f表示反碼編碼，0x3b表示正常編碼；
　　T0：格式字節，高4個(gè)bit用來(lái)指示是否傳輸TA1、TB1、TC1、TD1，低4個(gè)bit用來(lái)指示有多少個(gè)歷史字符；
　　TAi、TBi、TCi：接口字節，用來(lái)設置操作的一些參數，比如速率，保護時(shí)間，編程電壓等；
　　TDi：接口字節，高4bit用來(lái)指示是否傳輸TAi+1、TBi+1、TCi+1，低4個(gè)bit用來(lái)指示傳輸類(lèi)型T。T＝0，字符半雙工模式；T＝1，塊半雙工模式，其他的T值保留。我們常用T＝0即字符模式；
　　T1_TK：歷史字符，由制卡商提供；
　　TCK：校驗位，是T0_TK所有字節的異或，T＝0時(shí)不傳此字節。
　　訪(fǎng)問(wèn)卡的時(shí)序如圖6所示。
　　可以看出，1個(gè)字節幀由13位組成，包括1個(gè)起始位、8個(gè)數據位、1個(gè)校驗位、2個(gè)保護時(shí)間位。在外部提供時(shí)鐘方式(常用方式)下，圖6中每個(gè)位占的時(shí)間間隔(ETU)默認為外部時(shí)鐘周期的372倍。例如，外部時(shí)鐘為3.57MHz時(shí)，位的間隔是9600，相當于速率為9600。保護時(shí)間最長(cháng)可以為外部時(shí)鐘周期的254倍。
　　DSP與智能卡的連接跟存儲卡不同，RST引腳用來(lái)對卡內CPU復位，可與DSP一個(gè)GPIO連接；智能卡的CLK為卡內CPU工作時(shí)鐘，速度高(1MHz~5MHz)，要求穩定，用DSP的GPIO產(chǎn)生這樣的時(shí)鐘不可能。通常使用DSP一個(gè)串口McBSP發(fā)送的時(shí)鐘CLKX作為智能卡的時(shí)鐘。與存儲卡相同，DSP的一個(gè)GPIO與智能卡I/O相連。I/O是雙向，需要正確設置DSP的GPIO方向，且有精確的速率要求的，即為CLK速率的1/372，可以采用DSP內部定時(shí)器產(chǎn)生。
　　讀卡函數編程實(shí)例從略(基于C5409)?！?

參考文獻：
1． TMS320C54x DSP Reference Set：Enhanced Periherals，Texas Instruments，1999
2． TMS320C54x DSP Reference Set：CPU and Periherals，Texas Instruments，2001
3． AT24C16SC：2-Wire EEPROM Card Module，Atmel，2000