CN1475957A - 用于iso7816及usb智能卡的双模式控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种双模式智能卡控制器。在一个实施例中，提供了一个USB及ISO7816智能卡控制器，它能判定出插入插槽的卡的类型。如果所述的智能卡是一张USB智能卡，那么控制器就会被调整来将对智能卡的控制交给一个外部PC主USB插孔电路。如果所述的智能卡是一张ISO7816卡，那么控制就由双模式控制器进行处理。在另一个实施例中，所述的控制器包含一个嵌入的USB插孔电路以允许控制器直接控制USB和ISO7816智能卡。典型的控制程序包括监控一条C4信号线一段预定的时间，或是当检测到USB智能卡时生成一个使能信号。

Description

用于ISO7816及USB智能卡的双模式控制器
本申请基于35USC$119(e)的美国临时申请号60/359189，所述临时申请于2002年2月20日提交，该临时申请的指导思想在本申请中被引用。
技术领域
本发明涉及半导体装置的设计、制造及实施。更具体地，本发明涉及半导体装置，特别是能够将标准PC总线技术转换为ISO7816和其他智能卡技术的控制器，以及应用了所述智能卡控制器的智能卡读卡机的设计、制造和实施。
背景技术
现有技术的ISO7816智能卡读卡机
智能卡读卡机是将智能卡连接到PC的装置。典型实现方式包括一根电缆，电缆一头是可以连接到PC的USB或RS232(串行接口)插头，另一端是一个塑料匣，该塑料匣带有可以安置智能卡的开口。在塑料匣中的是一块电路板，包括一个称为智能卡控制器的半导体装置、一个用于连接智能卡的连接插座，以及各种用于电源控制和电气稳定性的电子元件。
智能卡读卡机可以被嵌入到PC中，也可以连接到PCI或ISA这样的禁止访问的外围总线接口上。这种情况下，没有电缆，而PC就带有用于安装智能卡的一个开口和一个集成连接插座。
现有技术的智能卡读卡机通常支持ISO7816-3异步卡，而有些读卡机也能支持ISO7816-10同步模式卡。这两类卡所用的协议是不相同的。然而，各个卡的即插即用模式通常是相同的。当一张卡被插入后，就通过声明一个卡探测信号，例如SC_CD#(通常是一个有效的低电平信号)，来通知智能卡控制器。一种现有技术的智能卡控制器会立即通过设置一个状态寄存器来向PC软件传达该插入事件，并可能向主CPU声明一个中断要求处理该事件。
插入的卡通常会在软件的控制下通过一个寄存器接口被复位，并以该卡的设置和性能信息响应复位。通常硬件或软件会选择首先试用7816-3异步卡模式来从智能卡获取一个响应，并在数次失败的尝试后改用7816-10同步卡模式。如果智能卡成功地响应了7816-3或7816-10复位尝试中的一种，那么就确定了该卡的类型并能使用该卡的功能。一些7816-10卡将C4接点(在7816-2中定义为C4)用于FCB信号(在7816-10中定义为FCB)。C4接点是为7816-3卡保留的，而并未被使用。同样，C8接点(在7816-2中定义为C8)是为7816-3和7816-10卡保留的，通常也未被使用，而且在某些应用中插座连接器和智能卡控制器之间没有提供接点用于C8。
异步智能卡的复位协议定义在ISO7816-3中。7816-10中所定义的FCB信号只有有限的定时信息，而并不提供一个最大逻辑高电平时间或是一个最小逻辑低电平时间。
现有技术的USB智能卡读卡机
USB智能卡最大的优越性之一就在于读卡机的简单性。使用USB智能卡，读卡机只需要提供PC上的USB信号与卡上USB信号之间的物理连接。这无需任何半导体装置即可实现。
Gemplus和Schlumberger的文献中指出，正如7816-2中所定义的，用于USB智能卡的USB D+和D-信号提供在已有的C4和C8智能卡接点上。该信息提供在USB智能卡技术Q&A中，其中说明了金色模块底部的两个接点被用来支持USB D+和USB D-。
USB智能卡是USB装置，而要与USB技术规范兼容还必须在D+或D-上提供1.5千欧R2(依照7.1.3 USB)上拉电阻，以指定低速或是全速工作，该电阻连接到一个3.0V-3.6V的电压源上。对于USB智能卡而言，该电压源必须通过C1和/或C6电源输入接点提供。当USB智能卡被连接到一个PC插孔上，所述的R2电阻就置起D+或是D-(依据速度)，并使得位于PC上的USB控制器检测到连接。依照USB的技术规范，当D+或是D-被采样为高电平超过2.5毫秒时，由USB插孔端口声明连接探测(在USB规范11.2.3中称为conn_det)。
图1示出了一个传统的智能卡控制器控制器，该控制器可用于7816-3异步智能卡和7816-10同步智能卡。主总线输入/输出(100)接口处理到PC主总线的连接，如PCI、ISA、USB、3GIO或是IEEE1394。主总线协议处理器(101)可以是一个简单的状态机，比如像PCI那样直接将周期从PCI总线转入内部寄存器，或者该处理器也可以更复杂，比如一个USB总线处理器，它能调度数据包并实现USB技术规范中所定义的端点功能。该智能卡控制器通常具有逻辑单元(102)用于控制智能卡插座的电源。典型的电压电平为3V和5V，控制器通过向电源开关(109)声明5V_SW#(110)信号和3V_SW#(111)信号在这两种电平间转换。电源开关(109)可以是智能卡控制器上的一个集成元件。智能卡插座并非集成到控制器上的，但提供了输入/输出终端(108)来把智能卡插座信号连接到智能卡控制器上。而像电源控制信号(110，111)和智能卡探测信号(112)这样的信号也通过系统输入/输出终端(107)连接到智能卡控制器上。插入和移除事件通过SC_CD#(112)智能卡探测信号提供给智能卡控制器。通常，插入和移除事件会引起一个到PC主系统的中断INTR(106)，以便立即处理该事件。智能卡探测逻辑(103)通常会根据SC_CD#输入信号设置状态位，从而引起对INTR(106)的声明。智能卡控制器经常会在卡探测逻辑模块(103)中带有反抖动逻辑，这是因为机械连接通常都不是瞬时的。
智能卡控制器通常支持ISO7816-3卡，并包含专门用于异步工作模式的控制逻辑(104)。7816-3卡将ISO7816-2中所定义的C2、C3和C7接点用于RST、CLK和I/O信号(在7816-3中定义)。一些智能卡控制器也同时支持ISO7816-10卡，并包含控制逻辑(105)以支持同步工作模式。7816-10卡将ISO7816-2中所定义的C2、C3、C7以及额外的C4接点用于RST、CLK、I/O以及FCB信号(在7816-10中定义)。所述的C2、C3、C7和C4接点信号都通过智能卡输入/输出终端(108)输入到智能卡控制器中。典型的智能卡控制器还包括一个用于C8接点信号的输入端，但它是被保留以备在7816-3和7816-10中进一步加以利用的。C1、C5和C6智能卡接点用于电源和接地，并可以被直接输入到智能卡控制器来驱动输入和输出。如果电源开关(109)是集成的，那么智能卡控制器接线端也可能从C1、C5和C6获得电源。
发明内容
Gemplus和Schlumberger发表了可用USB的智能卡，并指定了USB连接到卡上的信号。USB智能卡有两个重要的优势：它们具有高于现有ISO7816卡的带宽，并且没有电子元件的简单接头能够轻松地连接到可用USB的PC上。
尽管会有一天仅存在USB智能卡，但是在一段过渡时期内ISO7816和新的USB智能卡会并存于市场上。在那段时期内，一种同时支持ISO7816和USB智能卡的“双模式读卡机”会很有价值。本发明的目标之一就是要使这种双模式读卡机变为可能，它使用了一种特殊的智能卡控制器半导体装置。
依照USB技术规范，USB智能卡必须在D+或D-上提供1.5千欧R2(依照7.1.3 USB)上拉电阻，以指定低速或是全速工作。双模式智能卡控制器能够采样D+和D-连接器信号(C4和C8)以确定是否有USB智能卡插入。首先它必须向插座供电。通常，是智能卡PC子系统驱动智能卡插座，因此就要添加新的线路以自动驱动插座来确定C4或C8是否被上拉到了所施加的电压上，据此指示USB智能卡的存在。
在上述的检测过程中，所述的智能卡探测工作要从已有的智能卡子系统屏蔽掉。通常，一个卡被插入时提供一个中断信号给主机。不论使用何种机制向主机通知插入事件，它都需要被屏蔽直到检测完成。如果检测到了一张USB智能卡，那么已有(遗留)的智能卡子系统就不需要被告知该插入事件。所述的USB子系统会在供电2.5us后检测到智能卡的插入(通过依照USB Rev 1.0规范的11.2.3中的conn_det)。
在一个实施例中，构想在确认了一张USB智能卡后，检测期间自动供应到智能卡的电源将会直接继续供应。如果检测到一张非USB智能卡，那么电源将被撤除，这是因为已有的智能卡子系统会自动供电。
在一个基于PCI母板实施例中，构想将USB信号从USB智能卡连接器直接传送到PC内的USB主(上行)端口，并同时传送到智能卡控制器。用于C4信号的滤波逻辑被提供来保证在一张非USB智能卡(例如，一张7816-10卡)工作期间，C4不会被智能卡控制器声明超过2.5us。如果C4被声明超过2.5us，那么上行USB插孔将会作出错误的conn_det判决(判定插入了一个USB装置)。类似的逻辑模块也被添加到C8上，用于7816-10或7816-3以外的任何协议。例如，在一种厂商特定的增强模式中，利用C8(或C4)得到更高的带宽。本实施例的优势就在于需要向双模式智能卡控制器添加少量的电路。如果没有包含C4滤波器，那么智能卡控制器就不能支持7816-10卡或任何其他利用了C4和C8的模式的卡。
基于USB的实施例可能包括一个集成的USB插孔端口以支持USB智能卡。在这些实施例中，C4滤波器并不是必须的，这是因为一个端口使能信号会被包括进来，当检测到一张USB智能卡时，该信号能开启新的端口。当所述的端口使能信号没有被声明时(例如插入一张非USB卡，或是没有插入智能卡时)，新的USB端口被禁用，并不会对D+和D-进行采样以检测2.5us的conn_det事件。
大多数USB智能卡同时支持ISO7816模式，这是由于USB读卡机还未普遍使用。可能有些应用，比如金融应用，要求使用5V的ISO7816-3模式，但该系统同时也可以在其他应用中支持USB智能卡。双模式智能卡控制器知道7816模式具有优先权，从而略过上述的鉴别方法。
当D+和D-USB智能卡信号从USB智能卡连接器直接传送到PC内的USB主(上行)端口、并同时传送到智能卡控制器时，双模式控制器会将C4和C8终端驱动到一个低电平上以防止USB子系统判定插入了一张USB智能卡。通过驱动C4和C8到低电平，就不会向主USB端口声明D+和D-信号，从而不会发生conn_det(连接探测)事件。
在双模式控制器包含一个集成插孔的情况下，当ISO7816工作模式优先于USB智能卡模式时，端口使能信号会被取消声明。这样就不需要驱动C4和C8，因为被取消声明的端口使能信号保证了通知信号不会被送给USB主端。
附图说明
图1示出了一种传统的ISO7816智能卡控制器的方框图；
图2示出了一种本发明所述的双模式智能卡控制器的范例方框图；
图3示出了本发明所述的双模式智能卡控制器的另一种范例方框图；以及
图4示出了本发明所述的双模式智能卡控制器的又一种范例方框图。
具体实施方式
图2示出了一种典型的双模式智能卡控制器。在该典型实施例中，图1中所示的传统智能卡控制器被修改以包含一个鉴别电源定序器(200)、卡鉴别逻辑(201)，以及一个C4滤波器(203)来支持将USB信号DATA+和DATA-直接从一个PC主USB插孔端口(204)传送到一个智能卡插座(114)。通常，电源定序器200和卡鉴别逻辑201会含有状态机逻辑，它能够基于所提供的输入生成合适的输出。C4滤波器203可能包含一个数字滤波器，该滤波器对C4引脚位置上呈现出的信号进行采样以检测C4信号处于逻辑高电平多长时间。当然，该实施例仅仅是示范性的。那些精通此技术的人们会意识到与组件200、201及203相关的功能可以利用各种自制的和/或现有的电路实现，而所有这些替代品都被认为是在本发明的指导思想和范围之内的。
卡鉴别逻辑(201)被提供来检测C4和C8(202)信号以确定是否有USB智能卡插入，并将有卡插入的通知信号与传统智能卡控制器的卡探测逻辑103屏蔽。这样，在USB智能卡的插入和移除期间就不会向智能卡子系统发送INTR信号。当鉴别逻辑(201)检测出插入了ISO7816卡时，用于鉴别的电源就被电源定序器(200)撤除，而电源将在提供了卡插入通知信号后，由标准装置重新提供，而卡插入通知信号可能由INTR(106)中断提供。如果插入一张使用了C4接点的7816-10卡，那么C4滤波器(203)就能保证C4信号不会被声明超过2.5us，以保证PC主USB插孔(204)端口不会获得一个错误的连接探测(即USB技术规范中的conn_det)。USB插孔204在该典型实施例中代表了到根USB插孔的上行连接(尽管在通往智能卡插座114的路径上还可能存在其他的USB插孔)。当一张智能卡同时支持ISO7816和USB模式、而某个应用又优先选择ISO7816模式时，C4和C8信号(202)可以被双模式智能卡控制器驱动到逻辑低电平(可能通过卡鉴别逻辑，201)，以将USB智能卡的性能从USB主端屏蔽。
图3示出了另一种典型的双模式智能卡控制器。在该实施例中，一个USB插孔(300)被嵌入到智能卡控制器中以支持USB智能卡。图中所示的结构需要鉴别单元和电源定序器单元(200和201)来确定卡的类型，还需要C4滤波器(203)来保证集成的USB插孔端口不会获得一个错误的连接探测，如上面所述。在该结构中，嵌入的USB插孔可以是一个USB主控制器根插孔(可能位于一个PCI主总线上)，或是一个带有上行端口的下行USB插孔，该嵌入插孔或是通过一个USB PC主总线(100)或是通过另外的终端来提供上行端口连接，这两种选择在图3中以(301)示出。在任何一种情况下，到USB智能卡的下行端口连接可以在外部额外的终端上路由，或是通过一个改进型智能卡i/o模块(108a)直接连接到C4/C8信号，改进型的智能卡i/o模块支持这种连接。I/O模块108a是用USB规范的收发机进行适当的改进，以允许在嵌入插孔300和智能卡之间直接进行USB通信。
图4示出了直接向智能卡控制器内嵌入一个USB插孔(400a)以支持USB智能卡，嵌入的USB插孔与图3中的插孔(300)相同，并有一个端口使能/禁用信号(401)。有了端口使能/禁用信号(401)，C4滤波器就可以被去除，因为一个被禁用的USB端口将会禁用探测电路。因而，即使C4信号在ISO7816-10工作期间被声明超过2.5us，只要端口被禁用，USB主端就不会被通知。端口使能信号(401)可以在检测到一张USB卡时由卡鉴别逻辑(201a)声明，否则嵌入的USB端口就会被禁用。相应地，所述的卡鉴别逻辑被适当地修改以便生成信号。当一张智能卡同时支持ISO7816和USB模式、而某个应用又优先选择ISO7816模式时，端口使能信号(401)会被取消声明以激活ISO7816模式，并将USB智能卡的性能对USB主机屏蔽。

Claims (29)

1.一种双模式智能卡控制器，包括一个ISO7816智能卡控制逻辑、卡探测逻辑以及电源控制逻辑；以及一个微秒B卡鉴别逻辑，它被连接到所述的卡探测逻辑、并且配置为将微秒B智能卡对所述的卡探测逻辑屏蔽，以及一个信号滤波器，它被连接到所述的智能卡控制逻辑，并且配置为监控一根预定的智能卡信号线，并当存在一张微秒B卡时改变所述信号线的状态。
2.根据权利要求1中所述的双模式智能卡控制器，还包括一个主总线协议处理器，它连接到所述的ISO7816智能卡控制逻辑、卡探测逻辑和电源控制逻辑，其被配置为生成PC主总线通信信号。
3.根据权利要求2中所述的双模式智能卡控制器，进而包括一个PC主总线I/O控制器，它连接到所述的主总线协议处理器上，用于在所述的双模式智能卡控制器和PC主总线之间交换命令和数据。
4.根据权利要求1中所述的双模式智能卡控制器，进而包括一个鉴别电源定序器，它配置为在一段预定的时间内向智能卡提供电源，如果所述的智能卡是微秒B卡，它在所述的预定时间之后中断向所述微秒B智能卡的供电。
5.根据权利要求1中所述的双模式智能卡控制器，进而包括一个电源开关以将电源连接到智能卡。
6.根据权利要求1中所述的双模式智能卡控制器，其中所述的微秒B卡鉴别逻辑监控预定的与智能卡相关的信号线的信号状态，以判定智能卡是ISO7816还是微秒B类型的智能卡。
7.根据权利要求6中所述的双模式智能卡控制器，其中所述的预定信号线包括由微秒B规范所定义的C4和C8信号，它们由所述微秒B规范的一个DATA+和一个DATA-信号代表。
8.根据权利要求1中所述的双模式智能卡控制器，其中所述的信号滤波器监控一根C4信号线以检测所述的C4信号线是否处于逻辑高电平超过2.5微秒，而如果所述的C4信号线处于逻辑高电平超过2.5微秒，那么对智能卡的控制将转交给PC主微秒B插孔电路。
9.根据权利要求8中所述的双模式智能卡控制器，其中如果所述的C4信号线处于逻辑高电平少于2.5微秒，那么对智能卡的控制将交给所述的ISO7816控制逻辑。
10.一种双模式智能卡控制器，包括一个ISO7816智能卡控制逻辑、卡探测逻辑以及电源控制逻辑；一个微秒B卡鉴别逻辑，它被连接到所述的卡探测逻辑，并且配置为将微秒B智能卡对所述的卡探测逻辑屏蔽，以及一个微秒B信号滤波器，它被连接到所述的智能卡控制逻辑，并且配置为监控一根预定的智能卡信号线，并当存在一张微秒B卡时改变所述信号线的状态；以及一个嵌入的微秒B插孔电路，用以向微秒B智能卡提供输入和输出指令。
11.根据权利要求10中所述的双模式智能卡控制器，进而包括一个主总线协议处理器，它连接到所述的ISO7816智能卡控制逻辑、卡探测逻辑和电源控制逻辑，其被配置为生成PC主总线通信信号。
12.根据权利要求11中所述的双模式智能卡控制器，进而包括一个PC主总线I/O控制器，它连接到所述的主总线协议处理器上，用于在所述的双模式智能卡控制器和PC主总线之间交换命令和数据。
13.根据权利要求10中所述的双模式智能卡控制器，进而包括一个鉴别电源定序器，它配置为在一段预定的时间内向智能卡提供电源，如果所述的智能卡是微秒B卡，它在所述的预定时间之后中断向所述微秒B智能卡的供电。
14.根据权利要求10中所述的双模式智能卡控制器，进而包括一个电源开关以将电源连接到智能卡。
15.根据权利要求10中所述的双模式智能卡控制器，其中所述的微秒B卡鉴别逻辑监控预定的与智能卡相关的信号线的信号状态，以判定智能卡是ISO7816还是微秒B类型的智能卡。
16.根据权利要求15中所述的双模式智能卡控制器，其中所述的预定信号线包括由微秒B规范所定义的C4和C8信号，它们由所述微秒B规范中的DATA+和DATA-信号表示。
17.根据权利要求10中所述的双模式智能卡控制器，其中所述的信号滤波器监控一根C4信号线以检测所述的C4信号线是否处于逻辑高电平超过2.5微秒，而如果所述的C4信号线处于逻辑高电平超过2.5微秒，那么对智能卡的控制将转交给嵌入的微秒B插孔电路。
18.根据权利要求17中所述的双模式智能卡控制器，其中如果所述的C4信号线处于逻辑高电平少于2.5微秒，那么对智能卡的控制将交给所述的ISO7816控制逻辑。
19.一种双模式智能卡控制器，包括一个ISO7816智能卡控制逻辑、卡探测逻辑以及电源控制逻辑；一个微秒B卡鉴别逻辑，它被连接到所述的卡探测逻辑，并且配置为将微秒B智能卡对所述的卡探测逻辑屏蔽，它还配置为在所述的微秒B卡鉴别逻辑判定存在微秒B智能卡时产生一个微秒B使能信号；以及一个嵌入的微秒B插孔电路，当它被所述的微秒B使能信号激活时，能向微秒B智能卡提供输入和输出指令。
20.根据权利要求19中所述的双模式智能卡控制器，进而包括一个主总线协议处理器，它连接到所述的ISO7816智能卡控制逻辑、卡探测逻辑和电源控制逻辑，其被配置为生成PC主总线通信信号。
21.根据权利要求20中所述的双模式智能卡控制器，进而包括一个PC主总线I/O控制器，它连接到所述的主总线协议处理器上，用于在所述的双模式智能卡控制器和PC主总线之间交换命令和数据。
22.根据权利要求19中所述的双模式智能卡控制器，进而包括一个鉴别电源定序器，它配置为在一段预定的时间内向智能卡提供电源，如果所述的智能卡是微秒B卡，它在所述的预定时间之后中断向所述微秒B智能卡的供电。
23.根据权利要求19中所述的双模式智能卡控制器，进而包括一个电源开关以将电源连接到智能卡。
24.根据权利要求19中所述的双模式智能卡控制器，其中所述的微秒B卡鉴别逻辑监控预定的与智能卡相关的信号线的信号状态，以判定智能卡是ISO7816还是微秒B类型的智能卡。
25.根据权利要求24中所述的双模式智能卡控制器，其中所述的预定信号线包括由微秒B规范所定义的C4和C8信号，它们由所述微秒B规范中的DATA+和DATA-信号表示。
26.一种用于确定是ISO7816还是微秒B智能卡的方法，包括以下步骤：
将电源连接到智能卡一段预定的时间；
轮流检测预定智能卡信号的信号状态；以及
判定所述的智能卡是微秒B智能卡还是ISO7816智能卡。
27.根据权利要求26中所述的方法，进而包括将微秒B智能卡的身份对ISO7816卡探测逻辑电路屏蔽的步骤。
28.根据权利要求26中所述的方法，进而包括监控C4信号线状态的步骤，如果所述的C4信号线处于逻辑高电平超过2.5微秒，那么对智能卡的控制会被交给PC主微秒B插孔电路，而如果所述的C4信号线处于逻辑高电平少于2.5微秒，那么对智能卡的控制会被交给ISO7816控制逻辑。
29.根据权利要求26中所述的方法，进而包括监控C4信号线状态的步骤，如果所述的C4信号线处于逻辑高电平超过2.5微秒，那么对智能卡的控制会被交给嵌入的PC主微秒B插孔电路，而如果所述的C4信号线处于逻辑高电平少于2.5微秒，那么对智能卡的控制会被交给ISO7816控制逻辑。
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