用DSP的GPIO接腳實現與IC卡通訊

IC卡可以分為接觸式的和非接觸式(射頻卡)，本文主要討論儲存卡和智慧卡(CPU卡)這兩種接觸式IC卡的結構特點和讀寫作業，詳細敘述如何使用DSP的GPIO(通用輸入輸出)接腳實現與各種IC卡進行通訊，此外亦同時討論了相關的DSP函數。

常見與IC卡連接的都是基於單片機的系統，但是某些應用要求IC卡讀寫終端具有較強的即時運算和控制能力，這時DSP就是最好的選擇。以TI公司的C5409為例，它的8根HPI接腳(HD0∼HD7)可以配置成GPIO使用，配置方法是在復位時將HPI16接腳置高或者HPIENA接腳置低，這樣就可以經由配置DSP內部GPIOCR和GPIOSR兩個暫存器來控制這8根GPIO接腳的輸出和輸入。GPIOCR暫存器的低8位元用來控制每個GPIO接腳的方向，若接腳為輸出則對應位設為‘1’，若為輸入則設為‘0’(DSP復位後GPIOCR缺省值為‘0’，即GPIO接腳默認為輸入)。GPIOSR暫存器的低8位元用來控制每個GPIO接腳的值，若為輸出，向對應位寫‘1’，則該接腳輸出高，寫‘0’則該接腳輸出低；若為輸入，則對應位的值為接腳上輸入的值，向其寫作業無效。下面給出了控制GPIO的函數(控制低兩位元GPIO接腳，即HD0和HD1)：

#define gpio_dir *(short *)0x3c

#define gpio_val *(short *)0x3d //定義兩個暫存器的地址

void gpio_setval(short i,short j) //設置GPIO的輸出

{

if(i==0) /控制HD0接腳

gpio_val=gpio_val&0xfffe; //設為0

else if(i==1)

gpio_val=gpio_val|0x0001; //設為1

if(j==0) //控制HD1接腳

gpio_val=gpio_val&0xfffd;

else if(j==1)

gpio_val=gpio_val|0x0002;

wait();

}

void gpio_setdir(short i) //控制GPIO的方向

{

if(i==1)

gpio_dir=gpio_dir|0x0001; //設為輸出

Velse if(i==0)

gpio_dir=gpio_dir&0xfffe; //設為輸入

}

short gpio_getval(short i) //讀入GPIO的值

{

short j;

if(i==0) j=gpio_val&0x0001;

else if(i==1) j=(gpio_val&0x0002)>>1;

return j;

}

常見的接觸式IC卡可以分為儲存卡和智慧卡(又叫作CPU卡)，下面分別介紹DSP如何與這兩種卡進行連接通訊。

DSP和儲存卡的連接

儲存卡只具有簡單儲存功能，實際上是一片串列EEPROM的IC卡模式，以Atmel公司的AT24C16SC為例，它實質上就是兩線串列EEPROM AT24C16，兩者介面時序基本一樣。儲存卡的接腳如圖1所示。AT24C16SC同時支援3V和5V，存取速度分別可以達到100Kbps(3V)和400Kbps(5V)；內部容量為16Kb，分為128頁，每頁16位元組；雙向數據線(SDA)為OD(Open－Drain)驅動，需要加上拉電阻才能正常通訊。

儲存卡的存取時序為I2C標準時序。首先，正常通訊中只有在時脈線(SCL)為低時SDA才可變化，即在SCL為高時，SDA必須保持狀態(數據有效期)，而在SCL為高時，SDA的變化表示下面兩種控制狀態：

開始狀態：當SCL為高時，SDA由高變低表示一個開始狀態，通常任何作業前均需要一個開始狀態；

停止狀態：當SCL為高時，SDA由低變高表示一個停止狀態，通常跟在每個作業後，因而將卡置於等待模式。

在讀寫中，地址和數據都是按照8位元的大小進行傳輸，接收的一方需要返回一個ACK訊號表示確認，這個ACK訊號是在第9位元的位置返回一個‘0’來表示。如在讀卡的時候，DSP在收到8位元後，在第9個時脈應向卡發送‘0’表示收到了正確的數據，同時要求卡繼續發送下一個8位元數據，如果沒有這個ACK訊號，則將會中止目前讀作業返回等待模式。寫卡的時候，卡在收到DSP發送的地址和數據後也應該返回ACK訊號以表示收到了正確的命令。開始和停止狀態、確認訊號時序如圖2所示。

一個讀寫作業的開始需要先發送一個元件地址(device address)位元組，該位元組的高4位元是‘1010’，接著3位元是卡的高位地址，如AT24C16SC需要有11位元地址(2K位元組的大小)，高3位元地址就是這?來指示，最後1位元是讀寫控制位，若為‘1’，則表示後面進行一個讀作業，若為‘0’，則表示後面進行一個寫作業。

寫卡作業分為字寫和頁寫。字寫時，當發送完元件地址位元組(最後1位元為‘0’指明寫作業)後，接著再發送一個字地址(word address)位元組，即為卡的低8位元地址，然後就可送入一個位元組的數據，最後發送停止狀態。對於頁寫時，可以連續發送16個位元組後再發送停止狀態，需要注意的是，當頁寫時，低4位元地址在卡內部自動遞增，當到達頁末地址時會自動返回頁首地址，所以要正確發送停止狀態，否則繼續寫入的位元組就會覆蓋原來的數據。

讀卡作業分為讀目前地址、讀任意地址和順序讀幾種方式。幾種方式大同小異，下面主要介紹讀任意地址的作業，另兩種方式都較簡單。讀任意地址時，在發送完元件地址位元組(最後1位元為‘1’指明讀作業)後，發送字地址位元組，這一過程是裝載要讀的地址，下面再發送一個元件地址位元組(同樣最後1位元為‘1’指明讀作業)，然後便可從卡讀到一個連續8位元數據，然後DSP發送停止狀態(而不是ACK訊號)結束讀作業。

透過以上介紹可以看出，DSP與儲存卡連接的關鍵就是如何做出SCL和SDA的時序，也就是I2C時序。用DSP的兩根GPIO分別連接儲存卡的SCL和SDA，然後同時設置兩者的高低關係並且正確改變連接SDA那根GPIO的輸入和輸出方向，我們就可以解決這個問題。例如，對於圖3這個數據有效期的時序，我們可以將兩根GPIO依次設置為：‘01’、‘11’、‘01’，需要注意的是，改變狀態之間需要插入等待週期，因為DSP的工作時脈很高，其GPIO的改變遠高於I2C時序的要求。

下面給出一個寫卡函數：

short write_ic(short page,short addr,short length,short *buff)

//page－要訪的問高3位元地址，addr－要存取的低8位元地址，length－要寫入的數據長度，通常為16，buff－要寫入的數據

{

short device_address,ack,i,loop=0;

start_ic(); //發送一個開始狀態

device_address=0xa0|(page<<1);

put_ic(device_address); //發送元件地址位元組，0xa0表示寫

gpio_setdir(0); //改變GPIO方向為輸入

ack=1;

do

{

ack=get_ic();

loop++;

if(loop>10000)

return 0;

}while(ack!=0); //等待讀入確認訊號，否則超時退出

device_address=addr; //要存取的低8位元地址

put_ic(device_address); //發送字地址位元組

gpio_setdir(0);

ack=1;

do

{

ack=get_ic();

loop++;

if(loop>10000)

return 0;

}while(ack!=0);

for(i=0;i
{

put_ic(*buff++);

dir(0);

ack=1;

do

{

ack=get_ic();

}while(ack!=0);

} //寫入數據

stop_ic();

return 1;

}

void put_ic(short c)

{

short temp,i;

gpio_setdir(1); //改變GPIO為輸出

for(i=7;i>=0;i--)

{

temp=1<
temp=c&temp;

temp=temp<<(-i);

if(temp==0)

{

gpio_setval(0,0); //設置兩根GPIO的輸出

gpio_setval(1,0);

gpio_setval(0,0);

}

else if(temp==1)

{

gpio_setval(0,1);

gpio_setval(1,1);

gpio_setval(0,1);

}

}

}

DSP和智慧卡的連接

智慧卡是IC卡中最高級的一種，其內部一般有CPU、ROM、RAM和EEPROM等資源，卡內一般都駐有智慧卡作業系統(COS)，該作業系統對卡進行維護和管理並解釋終端的各種命令。由於卡內有CPU和RAM，所以可以根據需要進行一些運算和數據加密，同時卡內的EEPROM也可以存放一些用戶資料(容量也較儲存卡大)。智慧卡的接腳如圖4所示。

智慧卡的作業遵循ISO7816－3規格，通訊時序類似於雙向RS－232通訊協定(RS－232是單向的)。首先，作業前需要對卡進行啟動，啟動過程必須保証智慧卡的觸點接觸良好。啟動的步驟為：VCC供電，RST為低，I/O設為輸入，提供CL，然後對卡進行復位。復位分為冷復位和熱復位，兩者區別在於冷復位時RST由低變高，而熱復位時RST由高變低再變高，在復位後，卡應有復位應答；接受到卡正確的復位應答後，DSP可以向卡發送命令；取卡前需要進行釋放，步驟順序與啟動相反：RST變低，CLK變低，VCC掉電。

卡的復位應答可以告訴終端一些卡的原始資訊，它的組成如圖5所示：

TS：初始化位元組，用來進行位同步和指示後續通訊的編碼方式，例如0x3f表示反碼編碼，0x3b表示正常編碼；

T0：格式位元組，高4位元用來指示是否傳輸TA1、TB1、TC1、TD1，低4位元用來指示有多少個歷史字符；

TAi、TBi、TCi：介面位元組，用來設置作業的一些參數，比如速率，保護時間，編程電壓等；

TDi：介面位元組，高4位元用來指示是否傳輸TAi+1、TBi+1、TCi+1，低4位元用來指示傳輸類型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所有位元組的異或，T＝0時不傳此位元組。

存取卡的時序如圖6所示。

可以看出，1個位元組訊框由13位元組成，1個開始位、8個數據位、1個校驗位和2個保護時間位。在外部提供時脈方式(常用方式)下，上圖中每個位元所佔的時間(ETU，Elementary Time Unit)默認為外部時脈週期的372倍，如當外部時脈為3.57M時，1/ETU約為9600，即工作在9600速率下。保護時間默認為2個ETU，最大可以為254個ETU。

DSP與智慧卡的連接跟儲存卡有些差異。首先，智慧卡比儲存卡多一個RST接腳用來對CPU進行復位，可以使用DSP的一根GPIO來控制；儲存卡的CLK為通訊時脈，速度不高，沒有速率要求，可以隨時停止，只要時序關係正確即可，可以由DSP的GPIO實現；但智慧卡的CLK為卡內CPU的工作時脈，速度很高(通常介於1M∼5M)，並且要求穩定，用DSP的GPIO來提供該時脈是不可能的，因為DSP的GPIO的翻轉速度有限制，並且高速翻轉必定佔用大量DSP系統資源。因此可以使用DSP的一個串列埠McBSP的發送時脈CLKX來提供智慧卡時脈。同時，還需要DSP的一根GPIO來連接智慧卡的I/O訊號，跟智慧卡一樣的是，I/O線同樣是雙向的，需要正確改變DSP的GPIO方向，但不同的是智慧卡的I/O有精確的速率要求，即為CLK速率的1/372，可以採用DSP內部的定時器來結合GPIO實現。

選擇DSP內部定時器的週期為提供時脈的串列埠時脈週期的372/8倍，當每個定時器中斷到來時進行一次GPIO作業，這樣等於是8倍頻輸出和採入數據，即作業的最小週期是1/8個ETU，因而確保了精密度。從實現上看，上述過程類似於用定時器和GPIO來實現RS－232協議。需要注意的是，為了保証中斷響應和系統資源，定時器中斷程式中最好不進行GPIO作業，而只作標誌位設置，GPIO作業留給讀寫函數實現。下面為一個讀卡函數的實現。

void readword_sim(unsigned short *buff,unsigned short length)

//buff－讀入的數據放的buffer,length－讀入的長度

{

short tempbit,tempbyte,i,j,bitcount,parry;

rw=0; //設置GPIO為讀

for(j=0;j
{

bitcount=0;

while(!bitcount)

{

ready=0;

while(!ready);

if(simdata==0) bitcount=1;

} //讀入開始位

tempbyte=0;

bitcount=0;

for(;bitcount<11;)

{

tempbit=0;

for(i=0;i<8;i++)

{

ready=0;

while(!ready);

if(simdata==1)

tempbit=tempbit+(1<
} //讀入一位元的8倍採樣

if((tempbit&0x18)==0 && bitcount==0)

bitcount++;

else if(bitcount>0 && bitcount<9)

{

if((tempbit&0x18)!=0)

tempbyte=tempbyte+(1<<(bitcount-1));

bitcount++;

} //組成一個位元組

else if(bitcount==9)

{

if((tempbit&0x18)!=0)

parry=1;

else parry=0;

bitcount++;

} //讀入校驗位

else if(bitcount==10) bitcount++; //保護時間

}

buff[j]=tempbyte;

}

}

shorterrupt void tshort() //定時器中斷

{

if(ready==0)

{

if(rw==0)

simdata=gpio_getval();

ready=1;

}

}

上面的程式實現了智慧卡的讀寫協議，餘下的就是對卡發送命令即可，關於命令的結構和定義本文不作闡述。

作者：張彬

研究生

北京郵電大學

Email: bingo@263.net