CN101009898A - 支持新型智能卡的手机 - Google Patents
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Abstract
本发明属于移动电话技术领域，具体涉及一种可支持高性能计算、超大容量存储、高速传输的新型智能卡的手机。该手机包括基带处理器芯片，与之连接的射频模块、SDRAM缓存模块、液晶显示屏、键盘以及若干个数/模、模/数转换电路，手机内设有符合ISO/IEC 7816规范的8－Pin分布标准的智能卡插座，并将插座的C4、C6和C8引脚与基带处理器芯片对应的管脚相连，与电池连接的电源管理芯片经过DC－DC的电压转换为手机内各模块提供3.3V－5V的供电，同时通过智能卡插座的C1管脚给SIM卡提供驱动电流。另外，手机内还设有多媒体应用处理器芯片。本发明除支持基本GSM通讯功能外，还支持与新型SIM卡之间的海量数据存储、高速数据通讯，以及智能卡上新型应用的处理。
Description
技术领域
本发明属于移动电话技术领域，具体涉及一种可支持高性能计算、超大容量存储、高速数据传输的新型智能卡的手机。
背景技术
自20世纪90年代初，智能卡在德国被成功的应用于GSM终端后，目前已被广泛应用在各类移动通信网络中，如CDMA终端设备中使用的UIM卡、3G终端设备中使用的USIM卡等。装载在手机终端中的智能卡(又被称为用户识别模块，SIM-Subscriber Identity Module)，主要完成GSM网络上的用户身份识别和鉴权、话音通信支撑、短消息业务以及其它各类基于STK的增值业务。
然而长期以来，SIM卡电路和软件技术一直沿用了其诞生以来的基本设计理念和系统架构。随着无线通信技术的快速发展，其正受到越来越多新技术的挑战，如果不能够在技术上尽快地实施升级，SIM卡将面临着被淘汰的危险。
首先，从功能和应用角度来看，目前市场上多数智能卡的CPU为8位或16位处理器，指令执行效率一般为0.5MIPS左右，进行一般文字类的应用处理尚可支持，对于需要大量计算的网络处理、密码计算等则无法很好地支持。
其次，目前市场上普遍使用的SIM卡容量多数为32KB/64KB，最大不超过128KB。这种存储能力已无法很好地支持电信运营商业务发展和最终客户的应用需求。目前一种过渡的做法是采用SIM卡以外的扩展卡(如Micro-SD卡等)来增加容量，这不但给手机终端开发和使用带来了诸多的不便和开销，更重要的是扩展卡在销售和使用上采用与SIM卡完全不同的商业模式，运营商无法有效地利用扩展卡支撑其增值业务的发展。
第三，手机终端的海量储存也相应地提高了对数据传输速率的要求。ISO/IEC 7816接口的传输速率通常在几kbps(kilobits per second，千位/秒)到几百kbps之间。以该速率传输M级大小的文件需要上百秒，如果考虑到传输的开销和容错等因素，时间还会更长。
第四，传统SIM卡所使用的STK应用开发接口主要用于处理文本类的业务，无法实现诸如图形、网络等复杂应用，用户体验差；其次，传统智能卡的软件系统还不具备真正的操作系统功能，在结构上无法支持由应用开发商甚至最终客户灵活地更改。所以，在智能卡芯片上设计和实现高效的操作系统是支持新型应用开发和部署需要解决的又一关键技术问题。
为了解决上述问题，目前一种集成了高性能嵌入式微处理器、USB/SD/MMC高速接口、大容量Flash存储器和实时操作系统(RTOS，Real Time OperatingSystem)的新型SIM卡已经开始出现。这种新型智能卡在物理电气特性、软/硬件架构上都与传统智能卡有了很大的区别，更为重要的是它较之传统SIM卡具有更高强的计算能力、更大的容量存储、更高的传输速率，并可以承载多种新型无线增值应用。
然而，目前尚没有一种手机终端可以完全支持这种新型智能卡。集中表现在以下几个方面：现有终端设计无法支持与其新增高速接口的连接，并对其进行配置和管理；无法为新型智能卡提供满足其运行所需的功率；更重要的是，在现有终端架构中SIM卡和USB/SD/MMC设备芯片完全独立，它们与各自主机之间的通讯可以分别进行，互不干涉，无需额外的同步和握手机制。而新型智能卡在物理上将两者集成在一起，并有可能与不同的应用处理器相连接，因此需要终端可以为启动7816和高速接口的任务处理提供有效地协调和管理。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题，提供一种可以装配新型智能卡的手机，该手机除支持基本GSM通讯功能外，还支持与新型SIM卡之间的海量数据存储、高速数据通讯，以及智能卡上新型应用的处理。本发明将提供该手机与新型智能卡的电气连接方案、供电方案、接口电路管理方案以及软/硬件协同的任务调度方案。
本发明的技术方案如下：一种支持新型智能卡的手机，包括基带处理器芯片、与之连接的射频模块、SDRAM缓存模块、液晶显示屏、键盘以及若干个数/模、模/数转换电路，手机内设有符合ISO/IEC 7816规范的8-Pin分布标准的智能卡插座，根据新型智能卡高速数据传输协议，智能卡插座的C4、C6和C8引脚与基带处理器芯片对应的管脚相连，与电池连接的电源管理芯片经过DC-DC电压转换为手机内各模块提供3.3V-5V的供电，同时通过智能卡插座的C1管脚给SIM卡提供驱动电流。
如上所述的支持新型智能卡的手机，其中，基带处理器芯片的时钟管脚、复位管脚和UART管脚分别与智能卡插座的C3引脚、C2引脚和C7引脚相连。
进一步，当与智能卡之间的高速数据传输选择USB协议时，基带处理器芯片通过C6管脚为智能卡提供48MHz@2500ppm的USB基准时钟，同时智能卡插座的C4和C8管脚分别与基带处理器芯片的Data+和Data-相连；当与智能卡之间的高速数据传输选择SD/MMC协议时，基带处理器芯片通过C6管脚为智能卡提供0～19.5MHz的时钟，同时智能卡插座的C4和C8管脚分别与基带处理器芯片的SD/MMC Data0和Command管脚相连。
如上所述的支持新型智能卡的手机，还可以在基带处理器芯片上连接多媒体应用处理器芯片。此时，SDRAM缓存模块、液晶显示屏等分别与多媒体应用处理器芯片连接。
进一步，当与智能卡之间的高速数据传输选择USB协议时，多媒体应用处理器芯片通过C6管脚为智能卡提供48MHz@2500ppm的USB基准时钟，同时智能卡插座的C4和C8管脚分别与多媒体应用处理器芯片的Data+和Data-相连；当与智能卡之间的高速数据传输选择SD/MMC协议时，多媒体应用处理器芯片通过C6管脚为智能卡提供0～19.5MHz的时钟，同时智能卡插座的C4和C8管脚分别与多媒体应用处理器芯片的SD/MMC Data0和Command管脚相连。
如上所述的支持新型智能卡的手机，在基带处理器或多媒体应用处理器上设有接口时钟管理模块，接口时钟管理模块通过设置基带处理器或多媒体应用处理器中的SIM时钟寄存器状态位和高速接口时钟寄存器状态位为有效或无效，来启动或停止C3和C6上的时钟信号。从而实现智能卡对手机类型(发明所述手机和普通手机)的识别；以及智能卡在不同工作模式间的切换。
本发明的手机可以很好的支持具有高性能计算、高速数据传输和大容量存储能力的新型智能卡，具备如下明显的实用效果：
(1)可以将大量数据和个人信息存储在新型智能卡中，解决了以前用户更换手机终端时需花费大量精力复制数据的问题；
(2)利用新型智能卡的高性能计算能力，可以更高效的执行复杂应用程序，实现任务的调度和分布式计算，有效分解了基带处理器和多媒体应用处理器的计算负荷；
(3)由于新型智能卡具有高性能计算能力和超大容量存储，有效解决了手机终端所面临的功能和体积冲突的问题。并使手机设计的复杂度和成本可以得到一定程度的降低；
(4)可以在智能卡中开发和部署新应用、新业务，尤其是无线通信运营商希望推出的各项移动增值业务，如手机电视、移动电子商务、多媒体应用等。从而使本发明的手机具备运营商定制手机的特征。
附图说明
图1为本发明的一种结构原理图，其中只包含基带处理器。
图2为本发明的另一种结构原理图，其中包括基带处理器和多媒体应用处理器。
图3为传统智能卡的触点编号、定义示意图。
图4为本发明实施例采用的新型智能卡触点编号、定义示意图。
图5为本发明实施例的基本工作流程图。
图6为本发明实施例上电复位阶段智能卡相关信号的时序图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。
本发明的手机包括硬件和软件两大部分。其中硬件部分主要由射频模块(RF)、基带处理器(Baseband Processor)、多媒体应用处理器(ApplicationProcessor)、SDRAM缓存、电源管理芯片、液晶显示屏、键盘、若干数/模、模/数转换电路，以及新型SIM卡模块等组成。软件部分则集成了嵌入式操作系统、协议栈模块、设备驱动模块和相关应用软件。可能的结构原理图如图1和图2所示。
ISO/IEC 7816-2中规定智能卡应具有8个触点电极，分别是C1-C8(引脚定义见图3)，它们是终端设备与智能卡间的电气接口。然而，C4和C8引脚在规范中被用作未来功能扩展之用，并未定义功能。此外，C6引脚最初被用于为智能卡内部E2PROM提供编程电压输入，随着工艺的发展，该电压已经可以由智能卡芯片内部电荷泵直接产生，因此C6引脚也不再被使用。出于成本的考虑，目前大多数手机中智能卡的插座只有6个触点。新型智能卡利用这三个未用的空闲引脚集成了高速数据接口。因此，本发明的手机采用了完全符合ISO/IEC7816规范定义之8-pin分布标准的智能卡插座，同时，将C4、C6和C8引脚与基带处理器(或应用处理器)对应的管脚相连。
根据GSM 11.11规范，SIM卡的电流不超过10mA。在传统手机中，这一供电由基带处理器，或由电源管理芯片(LDO，Low Dropout Regulator)实现。由于新型智能卡集成了高速数据传输接口，并可能承载一些算法密集性的应用，因此，本发明的手机采用专用电源管理芯片为其提供100mA的电流驱动，以满足其功率消耗。
由于新型智能卡在普通手机和本发明所述手机中会选择不同的工作模式，因此需要终端提供一种识别机制使智能卡可以有效的检测终端类型。本发明的手机可以通过在智能卡上电复位阶段打开高速接口时钟来实现这一功能。
接口时钟管理模块可以通过在智能卡上电复位阶段打开高速接口时钟来实现智能卡对发明所述手机和普通手机的识别。
进一步，接口时钟管理模块可以通过打开或关闭SIM时钟和高速接口时钟来实现智能卡在四种工作模式间的切换，从而达到节省功耗的目的：
●完全休眠模式：手机终端关闭SIM时钟和USB/SD/MMC高速接口时钟使智能卡进入完全休眠模式。智能卡仅打开中断控制器等模块，关闭CPU、存储器等大部分逻辑，整个系统处于等待唤醒状态；
●SIM休眠模式：手机终端仅关闭SIM时钟使智能卡进入SIM休眠模式。智能卡SIM功能关闭，高速接口数据传输任务执行；
●高速接口休眠模式：手机终端仅关闭高速接口时钟使智能卡进入高速接口休眠模式；
●正常工作模式：此时手机终端SIM时钟和高速接口时钟均打开，智能卡ISO/IEC 7816接口和高速接口都处于工作状态。
C3和C6上时钟信号的启动或停止，可以通过设备驱动接口时钟管理模块设置基带处理器和多媒体应用处理器中的SIM时钟寄存器状态位(如SIM_CSTS[1:0])和高速接口时钟寄存器状态位(MMC_STRPCL[1:0])为有效或无效来实现。接口时钟管理模块可以通过通用的软件程序加以实现。
现有手机终端架构中，SIM卡和USB/SD/MMC设备芯片相互独立，它们与各自主机之间的命令和数据传输可以分别进行，无需额外的同步和握手机制。而新型智能卡在物理上将两者集成在一起，并有可能与不同的处理器相连接，因此存在复杂的多任务处理情况：如SIM和USB/SD/MMC设备的初始化；高速接口数据传输和ISO7816指令执行并行任务处理等。
本发明的手机采用基于消息的总线协议模块，根据AT命令和响应建立USB/SD/MMC控制器和SIM控制器之间的同步，并规范了智能卡中7816和高速接口任务执行的时序。从而实现SIM和USB/SD/MMC设备的初始化，高速接口数据传输和ISO 7816指令执行请求等复杂并行任务处理的协调。而运行在终端处理器上的实时操作系统，负责控制基带处理器与新型智能卡、多媒体应用处理器与智能卡，以及基带处理器和多媒体处理器之间的相互通信，实现高效的中断管理、任务管理等。
具体实施例一：
本实施例中，手机只集成单处理器，即基带处理器(如NXP PCF5213，展讯SC6600等)。其他部分由射频模块(如英飞凌PMB6258等)、SDRAM、电源管理芯片(如NXP PCF50606等)、液晶显示屏、键盘等IO设备，以及新型SIM卡模块等组成，如图1所示。
实施例的硬件连接及各部分的主要功能如下：
射频模块负责无线电信号的接收和发射；基带处理器负责GSM协议的处理、系统的总体控制，以及多媒体处理功能；SDRAM负责文本、多媒体数据的缓存；电源管理芯片负责电压的转换并给各个模块供电；液晶显示屏、键盘等IO设备负责人机接口；新型SIM卡模块负责GSM 11.11、GSM 11.14规定的通信相关应用，数据存储和其他卡内应用程序的执行，其管脚定义如图4和下表所示。
| Pin | ISO 7816 | USB | SD | MMC |
| C1 | VCC | |||
| C2 | RST | -- | -- | -- |
| C3 | CLK | -- | -- | -- |
| C4 | -- | USBD+ | SD Data0 | MMC DAT0 |
| C5 | GND | |||
| C6 | -- | USBCLK | SD CLK | MMC CLK |
| C7 | I/O | -- | -- | -- |
| C8 | -- | USBD- | SD CMD | MMC CMD |
在本实施例中，电源管理芯片由电池供电，经过DC-DC的电压转换给图1中各个模块提供3.3V-5V的供电。同时通过C1管脚给SIM卡提供100mA驱动电流。基带处理器可以通过配置该电源管理芯片的配置寄存器实现SIM的冷复位。
在本实施例中，基带处理器芯片的时钟管脚、复位管脚和UART管脚分别与智能卡的C3管脚、C2管脚和C7管脚相连，为其提供3.25MHz的时钟、复位信号，以及与智能卡7816接口进行数据通讯。
在本实施例中，与智能卡之间的高速数据传输如选择USB协议，则基带处理器芯片通过C6管脚为智能卡提供48MHz@2500ppm的USB基准时钟，同时C4和C8管脚分别与基带处理器芯片的Data+和Data-相连；与智能卡之间的高速数据传输如选择SD/MMC协议，则基带处理器芯片通过C6管脚为智能卡提供0～19.5MHz的时钟，同时C4和C8管脚分别与基带处理器芯片的SD/MMCData0和Command管脚相连。
具体实施例二：
本实施例中，手机集成双处理器，即基带处理器(如Broadcom 2124等)和多媒体应用处理器(如Intel PXA27x等)。其他部分由射频模块、SDRAM、电源管理芯片、液晶显示屏、键盘、键盘等IO设备，以及新型SIM卡模块等组成，如图2所示。
实施例的硬件连接及各部分的主要功能如下：
射频模块负责无线电信号的接收和发射；多媒体应用处理器负责系统的总体控制，以及多媒体处理功能；基带处理器仅负责GSM协议的处理；SDRAM负责文本、多媒体数据的缓存；电源管理芯片负责电压的转换并给各个模块供电；液晶显示屏、键盘等IO设备负责人机接口；新型SIM卡模块负责GSM 11.11、GSM 11.14规定的通信相关应用，数据存储和其他卡内应用程序的执行。
在本实施例中电源管理芯片由电池供电，经过DC-DC的电压转换给图2中各个模块提供3.3V-5V的供电。同时通过C1管脚给SIM卡提供100mA驱动电流。基带处理器可以通过配置该电源管理芯片的配置寄存器实现SIM的冷复位。
在本实施例中，基带处理器芯片的时钟管脚、复位管脚和UART管脚分别与智能卡的C3管脚、C2管脚和C7管脚相连，为其提供3.25MHz的时钟、复位信号，以及与智能卡7816接口进行数据通讯。
在本实施例中，与智能卡之间的高速数据传输如选择USB协议，则多媒体应用处理器芯片通过C6管脚为智能卡提供48MHz@2500ppm的USB基准时钟，同时C4和C8管脚分别与多媒体应用处理器芯片的Data+和Data-相连；与智能卡之间的高速数据传输如选择SD/MMC协议，则多媒体应用处理器芯片通过C6管脚为智能卡提供0～19.5MHz的时钟，同时C4和C8管脚分别与多媒体应用处理器芯片的SD/MMC Data0和Command管脚相连。
以上两种实施例的基本工作流程如下，见图5：
(1)上电复位：
系统上电，并等待Vcc稳定后，基带处理器给SIM卡提供一个3.25MHz的时钟信号，将SIM_RST置为低电平，同时将SIM_IO置为接收方式。等待40,000至45,000个时钟周期后将RST置为高电平，等待SIM卡的复位应答(ATR，Answer to Reset)。在此后的400至40,000个时钟周期内未收到正确的ATR，则判断该智能卡为故障卡或无有效卡插入。
如收到正确的ATR，则可以执行后续的用户身份识别，网络注册，和电话簿、短信等数据的传输。
同时，接口时钟管理模块打开高速接口时钟提供智能卡进行终端类型检测，上电复位的时序图详见图6。
(2)USB/SD/MMC设备的初始化：
在基带处理器接收到正确的SIM ATR后，USB/SD/MMC控制器根据处理器产生的AT命令响应(如MRDY：<status＝4>)启动USB设备的例化操作，或SD/MMC设备初始化进程。
(3)高速接口控制和数据传输：
上电复位及SD/MMC初始化完成后，如无接续的高速接口操作，则主机(基带处理器或多媒体应用处理器)可以通过关闭高速接口时钟(C6)，通知SIM卡关闭高速接口逻辑。如需执行高速接口数据传输，则主机恢复建立高速接口时钟(C6)信号，通知SIM卡打开高速接口逻辑，并发送相应命令，在收到正确的响应信号后，遵循USB/SD/MMC规范启动数据传输进程。
考虑到在此公开的对本发明的描述和特殊的实施例，本发明的其他实施例对于本领域的技术人员来说是显而易见的。这些说明和实施例仅作为例子来考虑，它们都属于由所附权利要求所指示的本发明的保护范围和精神之内。
Claims (9)
1.一种支持新型智能卡的手机，包括基带处理器芯片，与之连接的射频模块、SDRAM缓存模块、液晶显示屏、键盘以及若干个数/模、模/数转换电路，手机内设有符合ISO/IEC 7816规范的8-Pin分布标准的智能卡插座，其特征在于：根据新型智能卡高速数据传输协议，智能卡插座的C4、C6和C8引脚与基带处理器芯片对应的管脚相连，与电池连接的电源管理芯片经过DC-DC的电压转换为手机内各模块提供3.3V-5V的供电，同时通过智能卡插座的C1管脚给SIM卡提供驱动电流。
2.如权利要求1所述的支持新型智能卡的手机，其特征在于：基带处理器芯片的时钟管脚、复位管脚和UART管脚分别与智能卡插座的C3引脚、C2引脚和C7引脚相连。
3.如权利要求2所述的支持新型智能卡的手机，其特征在于：当与智能卡之间的高速数据传输选择USB协议时，基带处理器芯片通过C6管脚为智能卡提供48MHz@2500ppm的USB基准时钟，同时智能卡插座的C4和C8管脚分别与基带处理器芯片的Data+和Data-相连。
4.如权利要求2所述的支持新型智能卡的手机，其特征在于：当与智能卡之间的高速数据传输选择SD/MMC协议时，基带处理器芯片通过C6管脚为智能卡提供0～19.5MHz的时钟，同时智能卡插座的C4和C8管脚分别与基带处理器芯片的SD/MMC Data0和Command管脚相连。
5.如权利要求1或2所述的支持新型智能卡的手机，其特征在于：基带处理器芯片还连接有多媒体应用处理器芯片。
6.如权利要求5所述的支持新型智能卡的手机，其特征在于：当与智能卡之间的高速数据传输选择USB协议时，多媒体应用处理器芯片通过C6管脚为智能卡提供48MHz@2500ppm的USB基准时钟，同时智能卡插座的C4和C8管脚分别与多媒体应用处理器芯片的Data+和Data-相连。
7.如权利要求5所述的支持新型智能卡的手机，其特征在于：当与智能卡之间的高速数据传输选择SD/MMC协议时，多媒体应用处理器芯片通过C6管脚为智能卡提供0～19.5MHz的时钟，同时智能卡插座的C4和C8管脚分别与多媒体应用处理器芯片的SD/MMC Data0和Command管脚相连。
8.如权利要求1或2或3或4所述的支持新型智能卡的手机，其特征在于：在基带处理器芯片内设有接口时钟管理模块，接口时钟管理模块与基带处理器芯片的时钟管脚连接，通过设置基带处理器芯片中的SIM时钟寄存器状态位和高速接口时钟寄存器状态位为有效或无效，来启动或停止C3和C6上的时钟信号。
9.如权利要求5所述的支持新型智能卡的手机，其特征在于：在多媒体应用处理器芯片内设有接口时钟管理模块，接口时钟管理模块与多媒体应用处理器芯片的时钟管脚连接，通过设置多媒体应用处理器芯片中的SIM时钟寄存器状态位和高速接口时钟寄存器状态位为有效或无效，来启动或停止C3和C6上的时钟信号。
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