低功耗双界面CPU智能卡芯片的研究与设计

发布时间：2020-03-21 14:30

【摘要】：目前智能卡根据卡中的集成电路不同可大体分为逻辑加密卡和CPU卡。我国市场上最常见的IC卡是逻辑加密卡,这类IC卡凭借较高的性价比得到了广大用户的青睐,并己被广泛应用于公交、医疗、校园一卡通,门禁等领域。由于逻辑加密卡芯片采用的是流密码技术,密钥长度也不是很长,普遍存在着较大的安全隐患,有被黑客破解的可能。在金融、身份识别、电子护照等对安全要求比较高的领域目前更倾向于使用内嵌微处理器的CPU卡芯片。 CPU卡芯片比逻辑加密卡具有更高的安全性,内部有双重安全机制,第一重是芯片本身集成的加密算法模块；第二重保护则是CPU卡芯片特有的COS(Chip Operating System)系统。除此以外,CPU卡可以实现真正的一卡多用。但是CPU卡芯片比逻辑加密卡芯片设计更复杂,特别是接触式、非接触式双重应用的双界面智能卡芯片设计难度则更大。研制出低功耗高可靠性的双界面CPU卡芯片,已成为国内外智能卡芯片研发机构的工作重点和主攻方向。本论文根据双界面智能卡芯片的应用需求,在低功耗方面开展了针对性的研究。在双界面智能卡系统架构的基础上,论文针对非接触应用条件下对低功耗要求的特殊性,’采用了低功耗管理、具体电路结构等不同层级总共九种有效低功耗设计方法来降低芯片的峰值功耗,并对功耗仿真结果进行了详细比较。接着论文首次提出了一种能够根据系统实际运行的负载情况以及能量耦合情况自动调节无源芯片工作频率的方法,即动态频率调整(Dynamic Frequency Scaling)方法。使用该方法后,使得智能卡芯片在非接触应用时,工作距离比不使用该方法(四分频)至少延长了2厘米；在相同耦合距离的条件下,同采用固定频率(八分频)相比,平均交易时间缩短了18%。论文又详细地介绍了在智能卡芯片设计中,异步电路设计方法相较于同步电路设计方法的巨大优势,并且应用专门描述异步电路的Balsa语言和用于同步电路描述的verilog语言分别实现了DES算法的四相捆绑数据协议的异步电路设计,然后和采用同步电路设计方法的DES算法模块相比较,证明了这两种异步电路设计方法的有效性,以及在低功耗上的优势。最后论文描述了芯片测试情况,测试了在接触式和非接触式不同应用条件下的交易时间。在两种应用条件下,通过对交易过程中命令的分解,理论推导了交易时间并和仿真结果和芯片的实测结果进行了对比,结果表明芯片的功能和交易速度性能完全符合设计的要求。
【图文】：

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一张卡片上;第二种是接触与非接触彼此独立但共享某些存储空间;最后一种是接触与非接触运行状态相同，由同一个处理器控制。可以肯定地讲，只有第三种双界面卡是真正意义上的双界面卡〔如图1.1所示)。嘎嘎··图1.1双界面CPU智能卡芯片产品代表世界智能卡发展最新技术的双界面智能卡，无论从技术的先进性，产品使用的适用性，方便性，合理性，还是从其综合性能价格比，以及发行读写设备投资比较而言，双界面智能卡较目前较为广泛使用的Mifare一One【8]，Combi【9]等卡都有着极大的优势。这些优势体现在应用中的许多方面，如安全性，可靠性，支持一卡多用的多功能性等。由于这些强大的优势，使双界面智能卡在问世之前，己经被国际上的智能卡专家们预言将成为智能卡发展的主流产品，事实上，在双界面智能卡问世以来，它确实正在成为智能卡界的明日之星

频率图,功率图,能量图,电子标签

无接触的空间信息传输射频通道，工作的波长比阅读器天线和电子标签之间的距离大很多，可以把电子标签到天线的距离间的电磁场当作简单的交变磁场来对待t12][13]，参见图2.1。Po认ers一PPI芯芯芯芯芯片片 CCCCCCC今今今今招.....砚‘......山........侣..............电子标签阅i卖器图2.1阅读器和电子标签之间的电感祸合， 111泣l君:11甚.，1.‘如上所述，要建立通信， PCD(proximitycouplingdevice:接近式藕合设备)应产生能够给予能量的电场，来传送功率， PICC(Proximitycard:接近式卡)通过天线能够祸合到该电场，，同时该电场应被载波调制，即工作场频率(fe)为13.56MHz士7kHz。根据 150/IEC14443一1/2协议规定【14]，在非接触应用条件下，PICC和PCD之间建立正常通信的物理条件为:最小未调制工作场为Hmin，其值为1.5户Jm(rms);最大未调制工作场为Hjnax
【学位授予单位】：复旦大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TN402;TP332

【二级参考文献】