与OSI协议类似，数据链路层分为MAC（媒介访问控制）层和链路控制层。在MAC层采用位填充的成帧方法。链路控制层包括3种类型的帧协议：ACT协议、SHDLC协议以及CLT（非接触通道）协议。在SWP接口的设计中，使用了前两种协议。
ACT协议是接口激活协议，用于激活SWP接口。在没有射频场时，SWP接口处于去激活状态。在标签模式下，感应到外界存在射频场后，NFC芯片被激活，UICC收到NFC芯片的高电平信号后，使用ACT帧建立物理链路的连接。
SHDLC协议是ISO制定的高级数据链路控制规范的简单版本，也是面向位的同步链路。该协议主要用来传输交互的数据信息，其信息帧承载上层HCP（主机控制协议）的包数据。此外，SHDLC协议还具有流控管理、错误检查、出错后数据重传等功能。为了保证数据的正确发送与接收，兼容NFC芯片与UICC不同速率传输的通信能力，在使用SHDLC协议通信前，首先要建立数据链路，双方协商滑动窗口的大小。
2.2 SWP连接方案
本文中，CLF嵌入在手机内部，UICC使用的是SIM卡，手机通过SIM卡与NFC芯片通信。NFC芯片与SIM卡的连接方案有多种，本文提出的是基于C6引脚的SWP（单线协议）方案。SWP协议连接手机NFC芯片与SIM卡，规定两者之间的通信接口。图3是SWP连接方案的示意图。
图3 SWP连接方案示意图
本方案使用了SIM卡的3个引脚连接NFC芯片：C1（VCC）、C5（GND）、C6（SWP）。其中，SWP引脚在一根单线上基于电压和负载调制原理实现全双工通信。SIM卡支持ISO7816和SWP两个接口，在大容量卡项目中还支持高速下载接口，通过预留的C4和C8接口来实现。支持SWP的SIM卡必须同时支持两个协议栈——ISO7816和SWP协议栈，这需要SIM卡的COS（片上操作系统）是多任务系统。
SIM卡需要单独管理这两个协议栈。SWP方案加入SIM卡系统后，不能影响ISO7816接口。举个例子，SIM卡有8个引脚，RST引脚用于复位SIM卡的ISO7816接口，SWP方案加入SIM卡后，RST引脚的Reset信号对SWP接口没有作用，SWP接口通过SWP引脚复位。
3 SWP连接方案在SIM卡中的设计
3.1 系统结构
大容量SIM卡是一种支持大容量存储、高速传输、具有新型应用的智能卡。我们研发的大容量SIM卡项目基于ARM Secure Core SC100内核，采用 AHB（高性能总线）+APB（高级外设总线）总线结构。AHB总线提供高速的数据传输，它连接SIM卡内部存储器和高速外部接口（USB接口）。APB总线通过桥接器与AHB总线相连，SIM卡的低速接口（SWP接口、ISO7816接口）挂靠在外设总线上。
3.2 硬件设计
SWP硬件设计基于SWP标准，即ETSI（欧洲电信标准协会）制订的的TS 102 613。SWP控制器和SWP接口共同组成了SWP方案的硬件设备。SWP控制器负责处理物理层和数据链路层逻辑。图4为硬件实现数据链路层逻辑时SIM卡内部SWP控制器的结构图。
图4 SWP控制器结构图
3.2.1 接收数据设计
在SIM卡和NFC芯片通信期间，SWP控制器在激活、挂起、去激活三种状态间切换。交换数据时，处于激活状态。Rx 解码器不停地检测Si信号，并将来自NFC芯片的单位数据解析为字节输出。Frame resolve分析接收到的每一字节的数据，若为7E（帧头），则继续接收数据，直到接收到7F（帧尾），表明SWPC接收到一帧完整的数据。Frame resolve进一步解析接收到的数据帧，首先根据MAC协议剥离帧头和帧尾，然后根据接收方的生成多项式对数据帧进行校验。如果数据正确，则识别出SHDLC数据帧的类型并作相应处理；如果数据错误，则发送拒收帧，要求对方重新发送。对于正确的信息帧，SWP控制器提取信息帧的信息数据（包）写入RX FIFO，并根据接收到的数据帧的字节个数设置控制器的状态寄存器。SWP控制器每接收一帧数据就发起一个硬件中断。
3.2.2 发送数据设计
SWP控制器发送数据和接收数据是相反的过程。如果上层应用有数据要发送时，会把数据写入TX FIFO。TX FIFO一旦检测到FIFO有数据，就启动发送模块把数据从TX FIFO中取出，经Frame assemble按照SWP协议的SHDLC协议组装信息帧，添加帧头、帧尾、校验码。把生成的MAC帧数据交给Tx编码器，完成输出数据的物理层组装，将数据转换成单个位电平输出。
3.3 软件驱动设计
SWP软件设计基于SWP标准和HCP（主机控制协议）标准。HCP标准是SWP协议之上的标准协议，定义了数据链路层之上的协议层——HCP路由层、HCP消息层以及应用层。底层SWP协议和上层HCP协议组成的协议栈共同完成NFC芯片与UICC通信的完整协议。
在大容量SIM卡中采用SWP方案，要实现ISO7816协议栈和SWP协议栈。SIM卡的操作系统使用μC/OS。μC/OS是一种结构小巧、抢占式的实时操作系统。其内核提供任务调度和管理、时间管理、任务同步和通信、内存管理和中断服务等功能。在软件系统中，SWP软件模块是μC/OS的任务之一。
SWP任务依靠硬件中断驱动，SWP任务没有被激活前，一直处于等待中断的状态。通过SWP接口通信时，一旦检测到存在射频场，NFC芯片便被激活。NFC芯片发送Si信号给SIM卡，SIM卡检测到Si电压信号后，触发si_act中断通知软件做好准备通信。此时，软件设置通信参数，然后等待硬件建立物理链路成功的中断。如果接收到init_sync中断，软件开始设置SHDLC协议的滑动窗口大小M，等待建立SHDLC链路的中断。这个中断带有NFC芯片SHDLC层的滑动窗口的参数N。若M≥N，则SWP任务修改自己的滑动窗口大小为N，然后发送确认帧，这样便建立了SHDLC链路；若M＜N，SWP任务发送带有自己窗口参数的RESET帧给NFC芯片，继续协商滑动窗口大小。
SHDLC链路建立成功后，SWP任务等待信息帧中断。接收到信息帧中断，根据硬件写入的状态寄存器的接收字节数从RX FIFO中读取数据，然后由软件解析收到的数据包；通过HCP的路由层把数据包递交给应用层，应用层根据消息的类型进行相应的处理。
结语
本文提出一种SWP连接方案，并在大容量SIM卡中加以实现。SWP接口的硬件和软件设计方法，对于近距离通信技术应用于其他移动支付具有一定借鉴意义；同时，在SIM卡中实现SWP接口，也促进了SIM卡技术的发展。
