兼容MIFARE1功能的CPU卡芯片设计与实现

发布时间：2017-09-15 05:13

  本文关键词：兼容MIFARE1功能的CPU卡芯片设计与实现

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【摘要】：IC卡作为一种包含数据存储和处理功能的消费类产品，已经广泛应用于金融、通信和医疗等领域。其中CPU卡易扩展与高安全的特点使其市场占有率越来越高。M1卡的安全算法被破解之后，CPU卡将逐渐取代M1卡在各方面的应用。但是M1卡巨大发行量以及本身的优势在短期内难以被禁止使用。为了实现M1卡应用向CPU卡过渡，北京市嵌入式系统重点实验室自主设计一款兼容M1卡功能的CPU卡芯片。 本研究参与设计Mifare1卡与CPU卡功能兼容芯片，并实现了数字逻辑设计。该芯片能够实现M1卡与CPU卡两种功能，根据芯片交易命令选择工作在M1卡模式或CPU卡模式。利用M1卡与CPU卡相同的通信方式实现了模拟模块与通信接口复用。通过硬件加解密的方式使M1卡时序满足要求。使用硬件逻辑实现了CPU卡的数字链路层功能。设计还为COS(Chip Operating System)实现两种功能提供了相应的软硬件接口与固件支持。 在研究非接触式IC卡标准ISO/IEC14443以及M1卡技术规范的基础上，通过对实验室开发的CPU卡芯片以及通用M1卡的测试与研究，提出了软件模拟M1卡的方案，使用CPU卡实现M1卡的功能。针对纯软件实现方案的不足，分析了在CPU卡基础上实现M1卡功能的可行性。提出软硬件协同的方案，用加解密运算和数据位编解码同步进行的方式缩短交易时间，采用软硬件协同方式共同实现M1卡功能。本研究还综合分析CPU卡芯片硬件结构与COS结构，分离了COS中应用层与数据链路层功能，并将数据链路层通过硬件逻辑实现。 在设计的RTL实现后，通过仿真对芯片功能、时序、功耗进行验证。同时还通过FPGA平台模拟实际芯片工作情况，分别与M1卡读卡器和CPU卡读卡器进行交易测试，验证芯片能完成M1卡和CPU卡的所有功能。借助MP300TCL2测试工具，借鉴ISO/IEC10373-6协议的测试案例，，对芯片进行比较完备的功能验证。通过测试各项指标都满足了预期要求，芯片已在SMIC0.18μm EFLASH工艺下流片。 论文提出的设计方案，通过在一颗芯片上集成M1卡和CPU卡的功能，不仅降低芯片成本，而且使得芯片使用范围更广也更方便，并且实现一卡多用；将CPU卡的数据链路层与应用层分离，简化芯片的层次结构以及COS开发工作。 本研究成果在一卡多用方面具有独创性和实用性，能够有效地推进M1卡向CPU卡过渡，而且对嵌入式系统设计、仿真验证、FPGA验证有很好的借鉴意义。
【关键词】：CPU卡 Mifare1 兼容 分组传输
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP332
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-15
• 1.1 课题背景9-10
• 1.2 国内外智能卡研究与应用现状10-12
• 1.2.1 国外发展现状10-11
• 1.2.2 国内发展现状11-12
• 1.2.3 智能卡发展方向12
• 1.3 研究内容与意义12-13
• 1.4 本文结构13-15
• 第2章 非接触式智能卡和 Mifare 1 卡协议研究15-31
• 2.1 ISO/IEC14443-1 物理特性15
• 2.2 ISO/IEC14443-2 射频能量和信号接口15-17
• 2.2.1 从读卡设备传送到 IC 卡的信号15-16
• 2.2.2 从 IC 卡传送到读卡设备的信号16-17
• 2.3 ISO/IEC14443-3 初始化和防冲突17-19
• 2.4 ISO/IEC14443-4 传输协议19-24
• 2.4.1 Type A 的激活序列19-20
• 2.4.2 半双工分组传输协议20-22
• 2.4.3 协议操作22-24
• 2.5 Mifare 1 逻辑加密卡技术24-29
• 2.5.1 结构组成24-25
• 2.5.2 存储器组织结构与访问条件25-26
• 2.5.3 交易流程及帧格式26-29
• 2.6 需求分析29
• 2.7 本章小结29-31
• 第3章 分析与设计31-41
• 3.1 BES2416V09 芯片结构31-33
• 3.2 可行性分析33-35
• 3.2.1 芯片比较34-35
• 3.2.2 时间估计35
• 3.3 BES2416V09 芯片改进35-38
• 3.3.1 芯片层次结构35-36
• 3.3.2 数据链路层分析36-37
• 3.3.3 改进层次结构37-38
• 3.4 芯片结构设计38-39
• 3.5 本章小结39-41
• 第4章 芯片数字逻辑实现41-57
• 4.1 Mifare 1 卡加解密模块设计41-50
• 4.1.1 加解密算法41-43
• 4.1.2 加解密模块架构分析43-46
• 4.1.3 加解密模块实现46-50
• 4.2 分组传输解析模块设计50-55
• 4.2.1 EBUS 接口50-51
• 4.2.2 流程控制51-53
• 4.2.3 规则处理53-54
• 4.2.4 指针控制54
• 4.2.5 CRC 运算控制54-55
• 4.3 本章小结55-57
• 第5章 验证和测试57-67
• 5.1 仿真验证57-62
• 5.1.1 仿真验证的内容及预期结果58
• 5.1.2 功能仿真58-61
• 5.1.3 时序仿真61
• 5.1.4 功耗仿真61-62
• 5.1.5 仿真验证结果分析62
• 5.2 FPGA 验证62-66
• 5.2.1 Mifare 1 卡功能验证63-65
• 5.2.2 CPU 卡功能验证65-66
• 5.2.3 FPGA 验证结果分析66
• 5.3 芯片测试66
• 5.4 本章小结66-67
• 结论67-69
• 参考文献69-71
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文71-73
• 致谢73

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前7条

1 王鹏飞;;芯片安全是智能卡产业发展的基石[J];高科技与产业化;2013年02期

2 夏新军,文宏,陈吉华;SoC设计中支持软硬件划分的虚拟微处理器[J];计算机工程;2004年18期

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6 高勇;;Mifare密钥破解将引发系统风险 访北京艾克塞斯科技发展有限公司执行董事 朱峰 深圳达实智能股份有限公司产品事业部市场总监 黄志勇[J];中国安防;2009年04期

7 赵烽;;非接触智能卡安全分析与探讨[J];信息网络安全;2013年02期

本文编号：854506