A980芯片技术工作总结报告.docx
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A980芯片技术工作总结报告
A980智能卡及智能密码钥匙
芯片技术工作总结报告
北京天一集成科技有限公司
BEIJINGAONEINTEGRATIONCO.,LTD
一、A980芯片概述1
二、项目研制的背景和意义2
2.1智能卡应用领域
2
2.2
智能密码钥匙应用领域4
2.3
国外技术发展
4
2.3.1．EMV迁移4
2.3.2．国外相关技术发展5
2.3.3．国外金融IC卡产品市场调研6
2.4国内技术发展7
三、芯片主要研制过程9
3.1
第一阶段：
把0.25微米工艺的向
0.18微米移植，型号为A9809
3.2
第二阶段：
A980第二版设计9
3.3
第三阶段：
新版开发系统设计
10
四、技术方案和技术路线10
4.1A980芯片设计原则10
4.2
关键技术及创新点
11
4.3芯片研发的技术路线
12
4.4
主要功能模块设计和使用情况
13
五、逻辑框图14
六、芯片功能及工作原理14
6.132位RISCCPU14
6.1.1功能概述14
6.1.2CPU引脚15
6.1.3内部结构16
6.1.4内部寄存器16
6.1.5存储器16
6.1.6寻址方式16
6.1.7端口操作17
6.1.8ALU标志位18
6.1.9指令指针寄存器RIP18
6.1.10堆栈指针寄存器RSP19
6.1.11操作指令19
6.1.12指令周期19
6.1.13接口时序20
6.1.14中断处理20
6.2公钥算法加速引擎21
6.2.1公钥算法概述21
6.2.2超长字宽处理技术在模乘运算中的优势22
6.2.2模乘ASDSP的硬件设计23
6.2.4
模乘序列的高速调度23
6.2.5
乘法器硬件的逻辑结构
24
6.3随机数发生器24
6.3.1
真随机数发生器的作用
24
6.3.2
真随机数发生器应当满足的两个基本要求25
6.3.3
真随机数发生器的一般原理
25
6.3.4
采用运算放大器的不足之处
25
6.3.5
振荡器计数器方案的不足25
6.3.6
天一集成采用的振荡器、A/D变换器方案26
6.3.7
真随机数发生器的模型框图
26
6.3.8
真随机数发生器的结构框图：
26
6.3.9
真随机数发生器的预测性能指标26
6.4RAM27
6.4.1
概述27
6.4.2
端口说明27
6.4.3
内部框图27
6.5ROM27
6.5.1
概述27
6.5.2
端口说明27
6.5.3
引脚说明28
6.5.4
内部结构28
6.6UART接口28
6.6.1
UART功能描述28
6.6.2
端口说明28
6.7ISO-7816接口29
6.7.1
7816功能描述29
6.7.2
端口说明29
6.8USB接口:
29
6.9SM1密码算法模块30
6.10SSF33密码算法模块31
6.11
安全检测防护模块31
6.12
物理版图设计31
七、芯片封装及管脚定义31
7.1
A980
芯片封装引脚图31
7.2
A980
芯片实物图33
八、技术指标33
九、典型应用模式34
9.1作为智能密码钥匙芯片的典型应用电路（普通型）
34
9.2作为智能密码钥匙芯片的典型应用电路（增强型）
34
十、典型应用流程34
10.1
USB通讯接口34
10.2
IC卡（ISO7816）接口35
10.3
UART串行通讯接口35
10.4
SSF33密码算法加速引擎36
10.5
RSA公钥密码算法加速引擎
36
10.6
SM1密码算法引擎37
10.7
硬件CRC校验算法加速引擎
37
10.8
真随机数发生器37
十一、数据通讯及密码算法接口函数37
11.1
FLASH操作函数37
11.2SM1加解密操作函数
38
11.3SMS4加解密操作函数
38
11.4SSF33加解密操作函数
38
11.5SM3加解密操作函数
38
11.6SM2加解密操作函数
38
11.7RSA加解密操作函数
39
11.8
随机数操作函数39
11.9
看门狗定时器操作函数
39
11.10USB通讯接口函数40
11.11UART通讯接口函数40
11.12SPI_FAST通讯接口函数40
11.13GPIO接口函数40
11.14STRING接口函数41
11.15PRINTF接口函数41
11.16W25X80接口函数41
11.17LCD（128*64无字库）接口函数41
11.18LCD（64*32带字库）接口函数42
十二、芯片研制经费42
一、A980芯片概述
天一集成A980智能卡及智能密码钥匙芯片是A780芯片的升级产
品，进一步增加了功能、提升了性能、降低了成本。
该芯片以天一集
成公司自主研发的32位RISCCPU为核心处理器，内置公钥（SM2、
RSA、ECC）、分组（SM1、SMS4、SSF33）和散列（SM3、SHA-1、SHA-256）
等三类多种密码算法加速引擎。
芯片配置了8KBSRAM、256KBFLASH
存储器和USB、GPIO、UART、SPI、ISO7816等通讯接口，具有成本低、
功耗小、功能多和速度快的优异特性，综合性价比与国内外同类技术
产品相比具有比较竞争优势。
该芯片可应用于智能卡、智能密码钥匙
（USBKEY）、RF-SIM、SD-KEY、读卡器、加密卡等多种安全产品。
A980芯片内置自主研发的超低功耗32位CPU，主频24M，采用
0.18微米生产工艺，规模为260万MOS管（其中未包括FLASH等外
部IP在内）。
采用TSSOP24脚封装。
芯片工作电压2.7V～5.5V，平均工作电流为4mA，计算公钥密码算法时最大峰值电流16mA。
A980芯片主要生产指标如下表：
项目
生产指标或参数
内置处理器
32位
RISCCPU
外部时钟输入
2/4MHz
内部工作主频
12/48MHz
生产工艺
中芯国际
0.18umCMOS
集成规模
260万
MOS
管（未包括
Flash等外部
IP在内）
芯片引线
24条
平均功耗
4mA
最大峰值功耗
16mA
IC
卡封装
标准
8引线
USBKEY
封装
TSSOP24或LQFP64
二、项目研制的背景和意义
本项目面向的应用领域为高端智能卡和智能密码钥匙市场。
2.1智能卡应用领域
根据欧洲供应商协会Eurosmart的统计，20XX年全球高端智能卡的出货量达12.5亿，而20XX年高达14.9亿。
其中最大的需求来自手机SIM卡、银行卡和零售卡市场。
金融IC卡市场占据IC卡高端市场的近90%。
随着EMV迁移计划的推进，Visa、Master、JCB等主要支付财团在20XX年以前将98%的磁卡替换为IC卡；据预测，未来几年，中国IC卡市场占有份额最大的几个领域的发展趋势为：
银行卡
20XX年3月15日，中国人民银行发布《中国人民银行关于推进
金融IC卡应用工作的意见》（以下简称《意见》），决定在全国范围内
正式启动银行卡芯片迁移工作，在“十二五”期间全面推进金融IC
卡应用，以促进中国银行卡的产业升级和可持续发展。
《意见》就金融IC卡受理环境的改造和商业银行金融IC卡的发
行提出了时间表，见表。
表:
金融IC卡受理环境的改造和商业银行金融IC卡的发行时间表
时间
受理环境改造情况
20XX年
6月底前
直联
POS（销售点终端）能够受理金融
IC
卡
20XX年底
全国性商业银行布放的间联
POS能够受理金融
IC
卡
20XX年底前
ATM（自动柜员机）能够受理金融
IC
卡
20XX年
所有受理银行卡的联网通用终端都能够受理金融
IC卡
时间
发行情况
20XX年
6月底前
工、农、中、建、交和招商、邮储银行应开始发行金融
IC卡
20XX年1月1日起全国性商业银行均应开始发行金融IC卡
20XX年1月1日起在经济发达地区和重点合作行业领域，商业银行发行的、以人
民币为结算账户的银行卡均应为金融IC卡
目前我国已明确提出了金融IC卡迁移的日程。
截止到20XX年末，20XX年初我国市面发行了约24亿张银行卡（其中仅900万张金融IC卡），在未来若干年内金融IC卡将全面替代磁条卡，这个迁移过程在提高我国金融IC卡安全性的同时，必将创造巨大的经济效益和社会效益。
在已发行的24亿张磁条卡中，若以20亿张卡为基数，进行磁
条卡向IC卡的迁移，每张IC卡以10元计，则现有银行卡存量市场的改造就有200亿元的空间。
此外按照近年我国银行卡每年10%~20%的增速计算，每年自然增长的银行卡需求约为3亿张；依据经验，存
量卡的年换卡率约为8%，则每年可新增1.5亿张银行卡；合计年增加约4.5亿张，如全为银行IC卡，则每年约有45亿元的市场需求。
社保卡
我国社保卡20XX年发卡1470万张，到2011已累计发卡1亿张。
“十二五”规划提出，到“十二五”末期，“全国统一的社会保障卡发放数量达到8亿张，覆盖60%人群”。
为了保障社保卡的高安全性，人社部统一规范，社保卡全部采用接触式CPU卡，实行全国统一的密钥管理体系。
也就是说，8亿公民五年内拥有社保卡。
除去已经发放
的1亿张社保卡，对集成电路企业意味着一年要供应1.4亿颗社保卡芯片。
基于高端智能卡具有很好的发展空间，本项目的目标之一是研发满足高端智能卡需求的密码算法芯片。
2.2智能密码钥匙应用领域
智能密码钥匙（以下称USBKEY）相对于智能卡来说属于新兴市场，但近年来发展非常迅速。
随着互联网和电子商务的发展，USBKEY作为网络用户身份识别和数据保护的"电子钥匙"，专门用于存储秘密信息，是数字证书的最佳载体。
由于USBKey本身作为密钥存储器，其自身的硬件结构决定了
用户只能通过厂商编程接口访问数据，这就保证了保存在USBKey中的数字证书无法被复制，并且每一个USBKey都带有PIN码保护，这
样USBKey的硬件和PIN码构成了可以使用证书的两个必要因子。
如果用户PIN码被泄漏，只要保存好USBKey的硬件就可以保护自己的证书不被盗用，如果用户的USBKey丢失，获得者由于不知道该硬件的PIN码，也无法盗用用户存在USBKey中的证书。
与PKI技术的结合使USBKey的应用领域从仅确认用户身份，到可以使用数字证书的所有领域。
USBKey目前已经成为电子政务和电子商务领域最为流行的身份认证方式，被广泛应用于企业网上银行、金融证券交易管理、数字签
名、电子商务交易等领域。
具不完全统计，20XX年，国内市场USBKey
的销量已经达到500万只以上，而且还在以每年扩大50％以上的速度增长。
本项目的目标之一是面向USBKEY市场，研发一款只需单芯片即可完成USBKEY功能的密码算法芯片。
2.3国外技术发展
2.3.1．EMV迁移
以欧洲为代表的一些发达国家和地区很早就认识到了金融卡将
由磁条卡向IC卡迁移的趋势。
为了在金融IC卡支付系统中建立卡片
和终端接口的统一标准，使得在此体系下所有的卡片和终端能够互通
互用，并大大提高银行卡支付的安全性，减少欺诈行为，欧洲支付
（Europay）、万事达（MasterCard）及维萨（Visa）三方共同制定了一套基于集成电路卡的金融支付标准。
EMV2000是框架性约束，我国也基于国情制定了兼容EMV2000的PBOC2.0标准。
2.3.2．国外相关技术发展
目前，国外以欧洲为主的一些发达国家和地区金融IC卡在安全
性和普及率方面领先于我国金融IC卡的现有研发和应用水平。
NXP、
Infineon金融IC卡芯片产品代表了当前国际上智能卡芯片的最高科
技水平，应用范围最广，销售规模最大。
这些芯片产品广泛的应用于
EMV支付、电子钱包、社保、数字签名、ID（Identity）验证和GSM等
领域。
因此，下文以NXP、Infineon的产品为例，分析当前国外主流
金融IC卡芯片的技术水平。
NXP典型的金融IC卡芯片产品为P5CD系列，该系列产品采用
Secure_MX51处理器技术，可支持接触式、非接触式、双界面接口。
P5CD
系列芯片支持
RSA/ECC
及
3DES
算法，外部时钟频率为
1MHz~10MHz
，内部时钟频率最高达
60MHz
，供电电压范围为
1.6V~5.5V，工作温度范围为-25℃~85℃。
主要应用于电子签证、身
份证、医保卡、安全设备、手持设备和JAVA卡等。
Infineon应用于金融IC卡的主打产品有SLE66、SLE77、SLE78
和SLE88四大系列：
SLE66是Infineon市售智能卡的主力产品，使用8位或16位CPU，支持3DES、AES分组算法和RSA、ECC公钥算法，外部时钟频率为1MHz~7.5MHz，内部时钟频率是
1MHz~33MHz，供电电压范围为1.65V~5.5V，工作温度范围为-25℃
~85℃。
两家公司具有代表性产品的参数对比见表:
。
表:
当前主流产品的关键参数对比表
CPU
推出
3DES
RSA
ROM
RAM
公司
产品
（1024）
EEPROM（KB）
（bit）
时间
（us）
（KB）
（KB）
（ms）
NXP
8
P5CD系列
2011/3
40
30
264
7.5
16~80
8/16
SLE66系列
2007/11
5.3
124
24-244
2~6
4~32
16
SLE77系列
2008/11
28
224/228
8
36~144
Infineon
16
SLE78系列
2008/11
224/228
8
36~144
32
SLE88系列
2010/11
166
160/292
16/32
FLASH：
352~660
RISC
2.3.3．国外金融IC卡产品市场调研
20XX年，中国人民银行调查和统计得到以下数据：
全球已经实
施或计划实施银行卡芯片化迁移的国家和地区超过了30个，发行符
合EMV2000标准的金融卡近2亿张，布放符合EMV2000标准的终端超过200万台。
欧洲和亚太地区走在全球的前列，其中欧洲全面
启动了迁移计划，20XX年底已有50％的卡片符合了EMV2000标准，
20XX年VISA和MasterCard在欧洲启动风险转移政策，从20XX年开始，所有Visa和MasterCard品牌的IC卡都必须符合EMV2000标准；亚太区也有10多个国家和地区启动了EMV迁移计划，其中日本、韩国、马来西亚和中国台湾地区正在进行全国、地区性的迁
移。
香港、新加坡、澳大利亚、新西兰已经进行了试点或部分启动
了迁移，亚太区的其它国家/地区（包括中国）都在进行芯片化迁移
评估或准备。
目前亚太区EMV卡片发行量和终端布放量都约占总的
卡片和终端的5～6％，且每年都以近100％增量增长。
美国也在关
注EMV迁移的动向，在小额零售业积极推广符合EMV2000规范的非接触式金融IC卡。
截至20XX年6月底，全球发行符合EMV2000
规范的银行卡7亿张（其中VISA卡3.35亿张，MasterCard卡3.45亿张），符合EMV2000规范的POS终端800万台。
英法两国发展最为迅速，已于20XX年完成迁移。
因此银行卡芯片化已经并且还将持续对全球银行卡产业产生重大影响，成为国际银行卡产业发展的必然趋势。
国外以欧洲为代表的一些发达国家和地区金融IC卡已经逐步替代磁条卡成为市场上占主导地位的金融IC卡，得到了广泛的应用。
欧洲、亚太及中国最近几年符合EMV迁移标准的智能IC卡发卡数量情况如下图所示。
图:
欧洲、亚太和中国符合EMV迁移标准的银行卡发卡数量估算
2.4国内技术发展
我国的IC卡产业及应用始于20世纪90年代初，是伴随着政府
启动的“金卡工程”而发展起来的，至今已有十多年的历史。
在此期
间，我国的IC卡产业及应用从无到有、从小到大，迅速走过了启动
阶段，发展速度惊人。
我国已经成为IC卡产业大国，但远非IC卡强
国。
一方面，目前国内各种应用的智能卡使用广泛，如SIM/USIM卡、
银行卡、医疗保险卡、组织机构代码卡、报税卡、报关卡、身份证卡、
交通卡等，市场非常庞大。
近两年来，我国的IC卡年发卡量均超亿
张，年增长率达到30％～40％。
在智能卡研发能力方面，国内的中
芯国际、华大、大唐、中兴等多家集成电路设计企业均致力于智能卡芯片和智能密码钥匙（USBKEY）芯片的设计并初步实现了多种产品的
产业化，已经掌握了智能卡芯片设计的多项核心技术；同时一批优秀的智能卡COS开发商也在国内迅速崛起，他们紧跟智能卡应用市场的
需求，开发满足行业应用及跨行业应用的卡操作系统，包括握奇数据、华旭金卡等。
在芯片生产环节上，上海中芯国际、中芯国际、上海宏力等多家国内集成电路代工厂能提供代表国际先进水平的芯片制造
技术，同时，国内已经建成了多家颇具实力的IC卡封装生产线，例如中电智能卡、上海长丰、上海索力克等都具备了成熟的IC卡封装
工艺并拥有大批量生产能力，所有这些这都极大地推动了我国智能卡产业的发展并为国产芯片产业化提供了可靠保障。
IC产业链中的设计、制造、测试、封装、以及应用软件的开发初具规模，已经从前几年采用进口智能卡芯片逐渐向使用国产芯片的阶段转化。
另一方面，我国还远非IC卡强国。
主要体现在以下几个方面：
产业结构不够合理，很多地区IC卡产业还没有完整形成，有的只是在产业的某个环节上有所突出。
产业成熟度主要集中在生产环节上，有产能过剩和盲目的现象。
与生产环节相反，从事高端研发的企业数量偏少，芯片设计和COS开发等方面都比较缺乏，自主知识产权的高
端智能卡技术亟待发展；尤其是在当今移动通讯向3G发展、金融行业磁卡向EMV卡大规模转移的时期，高端智能卡的市场需求比例将逐步增大，这一矛盾日渐突出。
目前，国内真正意义上自主知识产权的高端智能卡产品还是空白。
根本原因是国内智能卡设计技术尚处于发展阶段，高端智能卡芯片中采用的一些关键技术还未完全掌握，主要是指智能卡芯片CPU性能及运算速度、加密算法及相关安全技术匮乏。
而天一集成A980芯片的研制开发成功，在缩小了国内外差距，有利于提高国内智能卡和智能密码钥匙芯片的技术水平和市场占有率。
三、芯片主要研制过程
3.1第一阶段：
把0.25微米工艺的向0.18微米移植，型号为A980
1.20XX年11月A980项目启动；
2.完成天一集成SOC设计平台从0.25um工艺到0.18um工艺的转换，形成0.18um工艺下，设计天一全定制SOC的基本逻辑电路库；
3.完成模拟电路部分的模块设计，基本形成完整的、便于调用的模拟电路库，适应全定制SOC设计的需要；
4.完成密码算法协处理器，包括：
SM2/RSA/ECC公钥密码算法协处理器和SM1/SSF33分组密码算法协处理器和SM3、SHA-1、SHA-256散列算法协处理的电路及版图设计；
5.完成USB接口的电路及版图设计；
6.熟悉主要的Foundry厂商Smic的0.18um工艺，包括Logic、Mixed、eFlash几个工艺的基本设计参数，及设计流程；
7.20XX年3月底完成全部移植工作和验证工作；
8.20XX年4月初数据提交中芯国际，进行MPW流片。
9.20XX年8月初收到流片成品，8月底封装完毕，开始测试
3.2第二阶段：
A980第二版设计
1.20XX年11月开始A980第二版的设计修改及验证工作
2.完成外部IP连接，包括FLASH的仿真验证和版图连接；
3.完成芯片整体的仿真验证和LVS、DRC验证，根据中芯国际生
产要求生成流片数据；
4.20XX年2月中旬正式向中芯国际提交生产数据，采用
0.18微
米带FLASH生产工艺。
5.20XX年5月初收到中芯国际流片成品，进行样片封装；
6.20XX年5
升级会员 