CN108141733A - Nfc“拆分堆栈”体系架构 - Google Patents

Abstract

一种处理近场通信类型应用的设备(5；16；26)，所述设备(5；16；26)包括：主机控制器电路(3；27)，处理使用近场通信类型应用的设备应用，并且处理基于第一接口协议(NCI；EMV)通信的主机驱动器(7；28)；处理近场通信类型非接触式接口(6；35)的NFC控制器电路(4；33)和与主机控制器电路(3；27)接口的控制器驱动器(11；32)，其中主机控制器电路(3；27)处理基于第一接口协议(NCI；EMV)与主机驱动器(7；28)接口并且基于第二接口协议与控制器驱动器(11；32)接口的第一传输模块(9；30)，第一传输模块(9；30)还处理近场通信类型应用的基本上所有非时间关键和/或存储器消耗任务，并且其中NFC控制器电路(4；33)包括处理朝向近场通信类型非接触式接口(6；35)的近场通信类型应用的所有时间关键任务的第二传输模块(12，34)。

Description

NFC“拆分堆栈”体系架构

技术领域

本发明涉及一种处理近场通信类型应用的设备，该设备包括：

主机控制器电路，处理使用近场通信类型应用的设备应用，并且处理基于第一接口协议通信的主机驱动器；

处理近场通信类型非接触式接口的NFC控制器电路以及与主机控制器电路接口的控制器驱动器，其中主机控制器电路处理基于第一接口协议与主机驱动器并且基于第二接口协议与控制器驱动器接口的第一传输模块，该第一传输模块还处理近场通信类型应用的基本上所有非时间关键和/或存储器消耗任务，并且其中NFC控制器电路包括处理朝向近场通信类型非接触式接口的近场通信类型应用的所有时间关键任务的第二传输模块。

背景技术

文献US 2009/0206984A1公开了具有近场通信(NFC)功能的像移动电话那样的设备。NFC技术已经由行业联盟以NFC论坛(http://www.nfc-forum.ofg)的名义开发并且是从RFID技术得出的。如在ISO 18.092中标准化的，NFC部件可以以“读取器”模式、“卡仿真”模式和“对等”模式操作。NFC部件经由其近场通信非接触式接口磁场发射，通过调制磁场的振幅来发送数据，并且通过负载调制和电感耦合来接收数据。在例如EP 1 327 222中描述的仿真模式中，NFC部件像应答器一样被动地操作，以与另一个读取器进行对话并且被另一个读取器看作RFID芯片。

US 2009/0206984 A1中公开的设备包括处理与正常电话功能相关的所有设备应用的主机控制器电路或移动电话处理器。例如，这些应用使得能够接听电话、发送SMS或搜索互联网。为了将近场通信特征添加到这个移动电话，已经向这个移动电话添加名为NFC控制器电路的分离的集成电路。NFC论坛规范“NFC控制器接口(NFC Controller Interface，NCI)”定义了用于使能主机控制器电路和NFC控制器电路之间的通信的接口协议。主机控制器电路利用名为主机驱动器的软件堆栈实现这个NCI接口，其中该软件堆栈基于NCI接口与在NFC控制器电路中处理的名为控制器驱动的软件堆栈通信。

图1示出了现有技术设备的标准NFC体系架构的主机控制器电路1和NFC控制器电路2的这种典型设置。图2示出了在这两个集成电路和经由单线协议连接到NFC控制器电路2的智能卡(UICC)内被处理的功能的更详细的框图。主机控制器电路的设备主机处理使用部分地在设备主机中被处理并且部分地在NFC控制器电路2的NCI-FW(堆栈)中被处理的近场通信应用的设备应用。这个标准NFC体系架构中的NCI-FW(堆栈)使得能够经由NCI接口作为控制器驱动器与主机控制器电路1通信。

这种标准NFC体系架构的缺点是对NFC控制器电路2中被处理的近场通信应用的部分进行更新的能力有限。NCI接口不能使能这种空中更新的简单快捷的方式。特别地，用于移动电话制造商的NFC控制器电路2的大部分时间是第三方集成电路，其对于在NFC控制器电路2上被处理的固件的更新的影响非常有限。此外，与主机控制器电路1相比，NFC控制器电路2仅具有有限的存储器空间和处理能力，这限制了使能例如来自不同***公司的大量新支付应用的可能性。

发明内容

本发明的目标是提供处理近场通信类型应用的设备和芯片集以及方法，其具有容易的空中固件更新和更大的灵活性。

这个目标是利用设备和芯片集实现的，其中待通过固件更新被更新的用于近场通信类型应用的所有固件驻留在非实时主机控制器电路内。

这个目标还利用用设备处理近场通信类型应用的方法来实现，该设备包括处理使用近场通信类型应用的设备应用的非实时主机控制器电路，以及处理近场通信类型非接触式接口的NFC控制器电路，其中处理以下步骤：

●在主机控制器电路中处理近场通信类型应用的基本上所有非时间关键和/或存储器消耗任务，以及

●在NFC控制器电路中处理朝向近场通信类型非接触式接口的近场通信类型应用的所有时间关键任务，以及

●通过独立于NFC控制器电路的固件更新来处理待被更新的近场通信类型应用的所有固件。

这种“拆分堆栈”体系架构将近场通信类型应用的非时间关键和/或存储器消耗的任务或部分从NFC控制器电路移入主机控制器电路。近场通信类型应用的时间关键和性能关键的任务或部分仍位于NFC控制器电路内，以确保朝着近场通信非接触式接口的正确通信。除此以外，非常有限的其它任务(例如，循环处理)可以由NFC控制器电路来处理。因此，近场通信类型应用的基本上所有软件堆栈都驻留在主机处理器电路内，该主机处理器电路是具有大量存储器资源的快速处理器并且直接连接到具有其电话或WLan数据传送功能的移动电话的设备应用，以使能近场通信类型应用的空中更新。

参考下文描述的实施例，本发明的这些和其它方面将变得显而易见并得以阐明。本领域技术人员将理解的是，各种实施例可以被组合。

附图说明

图1和2示出根据现有技术的设备中的标准NFC体系架构。

图3和4示出根据本发明的设备中的“拆分堆栈”NFC体系架构。

图5示出与现有技术的标准NFC体系架构相比，基于“拆分堆栈”NFC体系架构，近场通信应用的哪些任务或部分必须在哪个集成电路中处理的简化视图。

图6和7公开具有“拆分堆栈”NFC体系架构的设备如何处理近场通信应用以经由作为安全元件的智能卡仿真智能卡。

图8和9公开如何利用具有标准NFC体系架构的设备来处理销售点近场通信应用的两种不同的现有技术方法。

图10公开具有“拆分堆栈”NFC体系架构的设备如何处理销售点近场通信应用。

图11示出与现有技术的标准NFC体系架构相比，基于“拆分堆栈”NFC体系架构，销售点近场通信应用的哪些任务或部分必须在哪个集成电路中处理的简化视图。

图12公开应用级上的具有“拆分堆栈”NFC体系架构的设备的***视图。

具体实施方式

图1和2示出如上面所解释的现有技术移动电话的主机控制器电路1和NFC控制器电路2。图3和4示出根据本发明的具有“拆分堆栈”NFC体系架构的移动电话5的主机控制器电路3和NFC控制器电路4。移动电话5包括图中未示出的所有类型的现有技术模块，以处理设备应用并实现正常的电话功能，例如使得能够接听电话、发送SMS或搜索互联网。主机控制器电路3是移动电话5的主处理器，其控制所有这些任务并与移动电话5的其它集成电路接口以使能这些功能。

NFC控制器电路4是这些其它集成电路中的一个，以使能本领域技术人员众所周知的近场通信特征。NFC技术已经由行业联盟以NFC论坛(http://www.nfc-forum.ofg)的名义开发，并且是从RFID技术得出的。NFC控制器电路4连接到图中未示出的RFID天线并且主持(host)非接触式接口6以与其它NFC使能的设备通信。空中(over the air)NFC非接触式接口协议在ISO 18.092、ISO 14.443、ISO 15.693、NFC论坛规范和EMVCo中被标准化，并且必须在限定的时间帧内进行处理。进一步的时间关键或性能关键任务是：

1.意味着发送数据不能太早也不能太晚的延时时间/保护时间。

2.用于重置操作场的EMVCo定时。

3.NFC主动模式冲突避免。

4.用于等待时间扩展的定时。

5.电磁干扰处理(EMD)。

NFC控制器电路4因此处理时间关键任务或性能关键任务，以实现这种NFC非接触式接口协议，这有助于减少主机控制器电路的延迟要求。

NFC论坛规范“NFC控制器接口(NCI)”定义了要用于使能主机控制器电路3和NFC控制器电路4之间的通信的接口协议。主机控制器电路3利用名为主机驱动器7的软件堆栈来实现这个NCI接口，其基于NCI接口与名为控制器驱动器8的软件堆栈(NCI-FW(堆栈))通信。作为第一传输模块9的一部分的这个控制器驱动器8处理和实现NCI接口。或者控制器驱动器8或者主机软驱动器10的传输模块9处理移动电话5的近场通信应用的所有非时间关键的和/或消耗存储器的任务。典型的近场通信应用是例如卡仿真应用或销售点应用，这些将基于图6至7和10至12中所示的实施例更详细地解释。

第一传输模块9还包括基于第二接口协议与控制器驱动器或NFC控制器软驱动器11通信的主机软驱动器10。NFC控制器电路4还包括第二传输模块12，其处理朝向近场通信类型非接触式接口6的近场通信类型应用的所有时间关键任务。除此之外，第二传输模块12还可以处理重复任务或影响整体吞吐时间的任务。如图4中所示的NFC控制器电路4还包括逻辑链路层13，以通过单线协议与智能卡14接口。

如图3和4中所示的主机控制器电路3和NFC控制器电路4的“拆分堆栈”NFC体系架构的优点在于，第二传输模块12是必须由NFC控制器电路4处理以实现时间关键任务或性能关键任务从而使能近场通信应用的唯一的相对小的软件堆栈。利用具有高处理能力、足够存储空间和与移动电话5的其它功能的容易链接的主机控制器3在第一传输模块9内处理近场通信应用的所有其它非时间关键任务以及存储器或数据消耗任务。因此，基于现有技术的标准NFC体系架构必须由NFC控制器4处理的软件堆栈被移动到主机控制器3中。

与NFC标准体系架构相比，利用“拆分堆栈”NFC体系架构，固件更新要容易得多。例如，“拆分堆栈”NFC体系架构中的固件更新处于主机控制器电路3的完全控制下，并且因此可以独立于NFC控制器电路4被更新和检查。在NFC标准体系架构的经典方法中，主机控制器电路3需要将新固件更新/复制到第三方NFC控制器电路4中。这通常是受保护的，因此NFC控制器电路4制造商必须提供接口和例程以更新NFC控制器电路4上的固件。如果某些东西不如预期地工作，那么主机***制造商必须再次联系第三方NFC控制器制造商，以提供使其再次工作的方法。

这使得近场通信应用的固件更新容易，并且使得能够在主机控制器3中处理更强大的近场通信应用。由于主机驱动器7仍然基于NFC控制器接口NCI通信，因此不需要在实现新的“拆分堆栈”体系架构时对在设备主机15中处理的软件堆栈进行改变。这意味着由设备主机15处理的正常的电话设备应用(该设备应用使用近场通信应用)不需要由于体系架构的改变而被修正。

图5示出与现有技术的标准NFC体系架构相比，“拆分堆栈”NFC体系架构的简化视图。可以看出，只有时间关键或定时准确的层3和层4协议仍然需要在NFC控制器电路4内被处理，而近场通信应用的数据密集型或消耗存储器的任务在主机控制器电路3中被处理。本领域技术人员能够明确地决定近场通信应用的哪些任务或部分是时间关键的并因此是性能关键的以及它们当中哪些需要大量的存储空间，以决定它们必须在哪里被处理。

利用具有“拆分堆栈”NFC体系架构的设备的经由智能卡(UICC)的卡仿真

图6和7公开设备16的最重要的应用的一个，其处理近场通信应用以经由作为安全元件的UICC仿真智能卡。图6示出在HCI上设置UICC的方式。为了允许经由UICC进行卡仿真，需要建立通过HCI网络的连接。这是经由主机控制器电路3中的HCI-主机实施完成的。智能卡14的物理连接(通常是单线协议SWP)以及逻辑链路层17是近场通信应用的时间关键任务并因此在NFC控制器电路4上处理。

图7示出在建立与智能卡14的连接之后经由HCI的卡仿真。NFC控制器电路4处理外部读取器/写入器18与智能卡14之间的连接和通信。与卡仿真无关的任何其它HCI通信必须由主机控制器电路3中的传输模块9处理。利用这种经由智能卡14的卡仿真模式，支持所有通信机制，如CLF模式的标准层4通信。

这种“拆分堆栈”NFC体系架构包括用于卡仿真应用的优点，即，只有用于具有时间关键任务以及可能一些小重复任务的近场通信应用的堆栈的小子集必须在NFC控制器电路4中处理，这加快近场通信应用的整体性能并简化固件更新。

利用具有“拆分堆栈”NFC体系架构的设备的销售点解决方案

图8至11公开另一种重要的近场通信应用，销售点解决方案。图8和9公开两种不同的现有技术方法，即，图8中的NFC前端方法和图9中的NFC控制器方法，而图10公开基于“拆分堆栈”NFC体系架构的用于销售点解决方案的新发明性方法。

在图8中公开的现有技术NFC前端方法中，三个集成电路(基带控制器19、专用控制器20和NFC-前端IC 21)经由接触接口进行接口，以处理作为近场通信应用的利用支付卡22的销售的非接触支付。NFC-前端IC 21仅使能非接触式接口，而EMVCo 1级和2级协议由专用控制器20处理。

图9中公开的现有技术的NFC控制器方法仅使用两个集成电路，基带控制器23(相当于主机控制器电路)和NFC控制器IC 24(相当于NFC控制器电路)。NFC控制器IC 24非接触地与支付卡22接口。基带控制器23的支付主机25处理使用部分地在基带控制器23中处理并且部分地在NFC控制器IC 24的EMVCo 1级堆栈中处理的销售点近场通信应用的设备应用。这个标准NFC体系架构中的EMVCo 1级堆栈使得能够经由EMVCo接口作为控制器驱动器与基带控制器23通信。

EMV是用于智能支付卡以及用于可以接受它们的支付终端和自动取款机的技术标准。如支付卡22的EMV卡是智能卡，它们将数据存储在集成电路而不是磁条上。在图10所示的销售点解决方案中，利用使用“拆分堆栈”NFC体系架构的设备26，基带控制器27(相当于主机控制器电路)实现与主机驱动器28(名为EMVCo 2级的软件堆栈)的这种EMV接口，主机驱动器28基于EMV接口与控制器驱动器29(名为EMVCo 1级的软件堆栈)通信。作为第一传输模块30的一部分的这个控制器驱动器29一方面处理并实现EMV接口，另一方面处理设备26的近场通信应用的所有非时间关键和/或存储器消耗任务。

第一传输模块30还包括基于第二接口协议与控制器驱动器32通信的主机软驱动器31。NFC控制器电路33还包括第二传输模块34，其处理朝向近场通信类型非接触式接口35的销售点近场通信应用的所有时间关键和性能关键任务。除此之外，第二传输模块34还可以处理重复任务或影响整体吞吐时间的任务。

如图10所示的基带控制器27和NFC控制器电路33的“拆分堆栈”NFC体系架构具有以下优点：第二传输模块34是实现使能近场通信应用的时间关键和性能关键任务而必须由NFC控制器电路处理的唯一的相对小的软件堆栈33。利用具有高处理能力、足够的存储空间以及与设备26的其它功能的容易链接的基带控制器27在第一传输模块30内处理近场通信应用的所有或基本上所有其它非时间关键任务以及存储器或数据消耗任务。因此，基于如图9所示的现有技术的标准NFC体系架构必须由NFC控制器IC 24处理的软件堆栈被移动到基带控制器27中，以避免难以经由EMV接口进行访问。

图11示出与用于销售点近场通信应用的现有技术的标准NFC体系架构相比，“拆分堆栈”NFC体系架构的简化视图。可以看出，只有时间关键或定时准确的层2至层4协议仍然需要在NFC控制器电路33内被处理，而近场通信应用的数据密集型或存储器消耗任务在基带控制器27中被处理。

具有“拆分堆栈”NFC体系架构的设备的应用视图

图12公开应用级上的具有“拆分堆栈”NFC体系架构的设备的***视图。利用现有技术的标准NFC体系架构，NFC控制器电路2是对等设备上的应用与主机控制器电路1上的应用之间的通信中心。利用“拆分堆栈”NFC体系架构，近场通信应用的主要部分位于主机控制器电路3和NFC控制器电路4上，NFC控制器电路4的NFC控制器软驱动器11和第二传输模块12主要连接不同的部分。利用这种新的“拆分堆栈”NFC体系架构，可以实现以下优势：

1)主机控制器电路3能够进行直接的空中更新，而没有更新NFC控制器电路4上处理的固件/软件的传统限制。

2)主机控制器电路3可以添加和管理大量新应用(例如，从Visa、Mastercard等支付应用到版税卡到票务到门禁控制......)，而不受当前体系架构(即，NFC控制器电路4的有限的存储空间和处理能力)的限制。

3)空间约束和/或价格敏感设备(诸如可穿戴设备和物联网解决方案)能够使用现有主机控制器电路来包括NFC功能，而无需NFC硬件控制器。

在本发明的上面解释的实施例中，设备5、16和26利用以下步骤来处理方法：

●在主机控制器电路3或27中处理近场通信类型应用的基本上所有非时间关键和/或存储器消耗任务，以及

●在NFC控制器电路4或33中处理朝向近场通信类型非接触式接口6或35的近场通信类型应用的所有时间关键任务，以及

●通过独立于NFC控制器电路的固件更新，处理待被更新的用于近场通信类型应用的所有固件。

这种方法使得能够实现如上面关于本发明的实施例所解释的优点。

可以指出的是，处理近场通信类型应用的设备不仅可以是移动电话，而且也可以是其它移动设备、以及可穿戴设备和IOT设备。特别地，本发明对于处理近场通信应用的设备是有利的，但对于使用类似类型的RFID应用的设备也是有利的。

此外还指出，NFC控制器电路可以由微处理器或专用集成电路来实现。

图中的缩写NSC是指NFC软控制器。

应指出的是，应用被放置在或者主机控制器中或者安全元件中。拆分堆栈体系架构允许修改NCI或NFC堆栈(直接在主机控制器中)以适应任何新的应用。这意味着例如可以通过仅重新配置堆栈而将NFCC功能变成支付终端功能。

在NSC-IC中集成了通常时间关键且需要实时响应以便支持RFID通信的低级NFC功能。它实现成熟的RFID标准，这些标准不太可能改变，因此不需要频繁更新其功能。

高级NFC/NCI-FW包括较高级别的NFC功能，其通常是非时间关键的，而是更存储器和数据密集型的。此外，NCI标准相对新并且仍在开发中，这导致其功能的频繁更新。而且，在这个级别常常需要专有功能。

拆分堆栈不仅允许更新，而且允许集成的定制：

○特别地，不“本地谈话(natively talk)”的应用将更容易找到集成(不需要实现NCI)。

○这使得堆栈的多功能性及其对NFC/移动、支付和基础设施或运输的适用性显而易见。

此外，不需要实现“固件下载器”，堆栈随着制造商的设备SW更新而被更新。

关于主机接口协议，可以指出的是，用于NFC控制器模块与非实时主机控制器之间的通信的接口协议被实现使得事务的数量最小化。在使用NFC前端的现有技术实现中，主机控制器必须执行大量访问以获取状态信息并执行配置。因此，FW被移至芯片上以允许在非实时***中使用NFC控制器。NSC设备以这样的方式收集并处理状态信息：只需NFC控制器和主机控制器之间的最小数量的事务。以相同的方式，从主机控制器发送到NSC的控制信息被优化。这个方面非常重要，因为非实时控制器对每个事务添加显著的延迟，这将另外减慢总体处理时间。

由于非常受限环境中的嵌入式ARM固件，现有技术体系架构需要巨大的开销用于测试、审查、检查和整体开发及可重复性检查。资源有限引入了对添加新特征的限制。要求保护的拆分堆栈体系架构使用基于部件的(为了全面的测试和验证)、分层的堆栈(从I/O分离协议逻辑，以便于调试)，从而需要小的开销和更快的整体开发和重复性检查，这对IOT(互操作性测试)是关键的。

必须说明的是，术语驻留在NSC控制器中的“软件”必须以这种方式解释，即，这个小的软件堆栈也可以被称为硬件加速器或逻辑功能。由于不需要更新这个软件，因此它也可以用硬件来实现，并且提供了本发明的实质性优点。

Claims (9)

1.一种处理近场通信类型应用的设备(5；16；26)，所述设备(5；16；26)包括：

主机控制器电路(3；27)，处理使用近场通信类型应用的设备应用，并且处理基于第一接口协议(NCI；EMV)通信的主机驱动器(7；28)；

处理近场通信类型非接触式接口(6；35)的NFC控制器电路(4；33)和与主机控制器电路(3；27)接口的控制器驱动器(11；32)，其中主机控制器电路(3；27)处理基于第一接口协议(NCI；EMV)与主机驱动器(7；28)接口并且基于第二接口协议与控制器驱动器(11；32)接口的第一传输模块，第一传输模块(9；30)还处理近场通信类型应用的基本上所有非时间关键和/或存储器消耗任务，并且其中NFC控制器电路(4；33)包括处理朝向近场通信类型非接触式接口(6；35)的近场通信类型应用的所有时间关键任务的第二传输模块(12，34)，其特征在于，

待通过固件更新被更新的用于近场通信类型应用的所有固件都驻留在非实时主机控制器电路内。

2.如权利要求1所述的设备(5；16)，其中第一接口协议是NFC论坛规范中指定的“NFC控制器接口(NCI)”。

3.如权利要求1所述的设备(26)，其中第一接口协议是基于ISO/IEC 7816和ISO/IEC14.443的“用于支付***的EMV非接触式规范”。

4.如前述权利要求中任一项所述的设备(5；16)，其中主机控制器电路(3)或NFC控制器电路(4)处理用于与智能卡(14)的接触接口的逻辑链路控制层(13)，并且其中第一传输模块(9)或NFC控制器电路(4)处理主机控制器接口以仿真用于设备应用的智能卡。

5.一种用于处理近场通信类型应用的设备(5；16；26)的芯片集，其特征在于，所述芯片集包括如权利要求1至4所述的主机控制器电路(3；27)和NFC控制器电路(4；33)。

6.一种利用设备(5；16；26)处理近场通信类型应用的方法，所述设备(5；16；26)包括处理使用近场通信类型应用的设备应用的非实时主机控制器电路(3；27)以及处理近场通信类型非接触式接口(6；35)的NFC控制器电路(4；33)，其中处理以下步骤：

●在主机控制器电路(3；27)中处理近场通信类型应用的基本上所有非时间关键和/或存储器消耗任务，以及

●在NFC控制器电路(4；33)中处理朝向近场通信类型非接触式接口(6；35)的近场通信类型应用的所有时间关键任务，以及

●通过独立于NFC控制器电路的固件更新，处理待被更新的用于近场通信类型应用的所有固件。

7.如权利要求6所述的方法，其中处理以下步骤：

●处理第一接口协议，以在主机控制器电路(3；27)内发送与近场通信类型应用相关的信息，以及

●处理第二传输协议，以在主机控制器电路(3；27)和NFC控制器电路(4；33)之间发送与近场通信类型应用相关的信息。

8.如权利要求7所述的方法，其中处理以下步骤：

●处理NFC论坛规范中指定的“NFC控制器接口(NCI)”作为第一接口协议。

9.如权利要求7所述的方法，其中处理以下步骤：

●处理基于ISO/IEC 7816和ISO/IEC 14.443的“用于支付***的EMV非接触式规范”作为第一接口协议。