CPU卡的接口特性、傳輸協(xié)議與讀寫程序設計

　IC卡的概念是20世紀70年代提出的。法國BULL公司首創(chuàng)IC卡產(chǎn)品，并將這項技術(shù)應用到金融、交通、醫(yī)療、身份證明等多個方面。IC卡的核心是集成電路芯片，一般為3μm以下的半導體技術(shù)制造。IC卡具有寫入數(shù)據(jù)和存儲數(shù)據(jù)的能力。IC可存儲其中的內(nèi)容，根據(jù)需要可以有條件地供外部讀取，或供內(nèi)部信息處理或校驗用。

　　根據(jù)各種集成電路的不同，IC卡可以分為以下三類：存儲器卡、邏輯加密卡與CPU卡。其中，存儲器卡僅有數(shù)據(jù)存儲能力，沒有安全措施;邏輯加密卡僅有幾個字節(jié)的密碼，卡中有一個錯誤計數(shù)器，如果指定次數(shù)驗證密碼失敗，則卡中數(shù)據(jù)被自動鎖死，該卡數(shù)據(jù)不能再更改;CPU卡是這三類IC卡中最高級的卡，一般有ROM、RAM和EEPROM三種存儲器。ROM中存放的是程序，程序是為IC卡的CPU專門設計的，用來解釋讀寫器終端送來的命令。IC卡應用系統(tǒng)根據(jù)應用需要由終端送一系列命令到CPU卡，通過改變命令的內(nèi)容和命令的順序就可以滿足不同的需要，因此有較高的靈活性;同時，因為CPU有計算功能，存儲容量又大，可以進行比較復雜的加密/解密運算，極大提高了安全性。EEPROM主要用來存放一些應用數(shù)據(jù)，其容量比邏輯加密卡大，可實現(xiàn)一卡多用，是目前最安全的卡類型。因此，CPU卡是目前IC卡的重要發(fā)展方向之一。

　　1 CPU卡的接口特性

　　1.1 觸點定義

　　觸點的定義遵循ISO7816－2的規(guī)定，如圖1所示。符號說明如表1所列。

　　圖1 CPU卡的觸點 

　　表1 符號說明

　　1.2 字符幀

　　數(shù)據(jù)在I/O上以圖2所示的字符幀方式傳輸。

　　圖2 字符幀傳輸方式

　　每個位寬是1個etu，etu = 372/f。在此處，f = 3.57 MHz。

　　起始位由接收端通過對I/O周期采樣獲得，采樣周期應小于0.2 etu。2個連續(xù)字符起始位上升沿之間的間隔時間等于（10±0.2）etu加上1個保護時間（最少2個etu）。在保護時間內(nèi)，卡與終端都應處于接收模式（I/O為高電平狀態(tài)）。如果卡或終端作為接收方檢測出奇偶錯誤，則I/O被置為低電平，以向發(fā)送方表明出現(xiàn)錯誤。

　　1.3 卡操作

　　卡操作的步驟如下：

　?、?將卡插入終端接口設備，使兩者的觸點相接并激活觸點;

　?、?將卡復位，建立卡與終端間的通信;

　?、?執(zhí)行操作;

　?、?釋放觸點，并從接口設備取出卡片。

　　以下是除第③步（執(zhí)行操作）以外，各步的時序要求。

　?。?） 觸點激活

　　時序如圖3所示。

　　圖3 觸點激活時序

　?。?） 卡復位

　　卡利用低電平復位來完成異步復位應答，隨著觸點的激活，終端將進行一個冷復位并從卡獲得復位應答。冷復位時序如圖4所示。

　　圖4 冷復位時序

　　冷復位過程之后，如果收到的復位應答信號不滿足標準的規(guī)定，終端將啟動一個熱復位并從卡獲得復位響應。熱復位時序如圖5所示。

　　圖5 熱復位時序

　　在實際程序設計時，由Reset子程序?qū)崿F(xiàn)觸點激活和卡復位。

　?。?） 觸點釋放時序

　　觸點釋放時序過程如圖6所示。

　　圖6 觸點釋放時序

　　2 傳輸協(xié)議與卡命令處理程序

　　ISO7816－4及中國金融集成電路（IC）卡規(guī)范所規(guī)定的異步半雙工傳輸協(xié)議，是關(guān)于終端為實現(xiàn)傳輸控制和特殊控制而發(fā)出的命令的結(jié)構(gòu)及其處理過程，包括了兩種協(xié)議：字符傳輸協(xié)議（T = 0）和塊傳輸協(xié)議（T = 1）。本文著重討論字符傳輸協(xié)議（T = 0）協(xié)議，它是IC卡推薦使用的通信協(xié)議。

　　2.1 命令

　　命令包含1個連續(xù)4字節(jié)的命令頭，用CLA、INS、P1和P2以及1個可變長度的條件體來表示。

　　命令頭定義如下：

　　◇ CLA：指令類別，除“FF”外的任何值;

　　◇ INS：在指令類別中的指令碼，當最低位是“0”，并且高位半字節(jié)既不是“6”也不是“9”時，INS才有效;

　　◇ P1、P2完成INS的參數(shù)字節(jié)。

　　條件體定義如下：

　　◇ Lc（發(fā)送數(shù)據(jù)長度）占1個字節(jié)，在命令中定義為發(fā)送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，取值范圍是1～255。

　　◇ Data為將要發(fā)送的命令數(shù)據(jù)域，字節(jié)數(shù)由Lc定義。

　　◇ Le （接收數(shù)據(jù)長度）占1個字節(jié)，指出命令響應中預期的數(shù)據(jù)最大字節(jié)數(shù)。Le的取值范圍是0～255。如果Le=0，預期數(shù)據(jù)字節(jié)的最大長度是256。

　　可能的命令結(jié)構(gòu)的4種情況定義如表2所列。

　　表2

　　命令全部由終端應用層（TAL）初始化。它通過終端傳輸層（TTL）向卡發(fā)送1個由5個字節(jié)組成的命令頭，并等待一個過程字節(jié)。

　　2.2 過程字節(jié)

　　卡收到命令后，緊接著返回一個過程字節(jié)給TTL，指明下一步該作什么，如表3所列。

　　表3

　　在（1）、（2）情況中，TTL完成動作后將等待另一個過程字節(jié)。在（3）情況中，第二個過程字節(jié)或狀態(tài)碼（SW2）被收到后，TTL將做以下事情：

　　◇ 如果過程字節(jié)為“61”，TTL將發(fā)送一個最大長度（P3）為“XX”的得到響應命令（GET RESPONSE）給卡，“XX”為SW2的值。GET RESPONSE命令僅適用于T = 0協(xié)議。命令報文的結(jié)構(gòu)如表4所列。

　　表4

　　◇ 如果過程字節(jié)為“6C”，TTL將立即重發(fā)前一個命令的命令頭給卡，它的P3值用“XX”代替。“XX”是SW2的值。

　　◇ 如果過程字節(jié)是“6X”（除“60”、“61”及“6C”之外）或“9X”，與前兩者TTL自己處理不同，TTL將通過命令響應返回狀態(tài)碼給上一層--終端應用層（TAL），由TAL處理，并等待下一個命令。

　　2.3 卡命令處理程序流程圖

　　圖 7 是卡命令處理程序，即終端與卡的信息交互過程的流程圖，具體程序見本刊網(wǎng)站。

　　圖7 卡命令處理程序流程圖

　　以下是引腳說明。

　　ECPU：決定卡的CLK觸點上是否有CLK信號的引腳;

　　ICVCC：終端與卡的Vcc觸點相接觸的引腳;

　　ICIO： 終端與卡的I/O觸點相接觸的引腳;

　　ICCLK：終端與卡的CLK觸點相接觸的引腳;

　　ICRST：終端與卡的RST觸點相接觸的引腳。

　　以下是程序中函數(shù)介紹。

　　◇ void isr_timer1（void） interrupt 3：定時器1中斷子程序，用于按位發(fā)送和接收數(shù)據(jù)字節(jié);

　　◇ void Snd（void）： 發(fā)送數(shù)據(jù)子程序，由定時器1實現(xiàn);

　　◇ void Rcv（BYTE bytenr，BYTE *Buffer）：接收數(shù)據(jù)子程序（參數(shù)含義分別是：接收數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)、接收數(shù)據(jù)的存放處），由定時器1實現(xiàn);

　　◇ 函數(shù)1 void Reset（BYTE *len， BYTE *resp）：復位子程序（參數(shù)含義分別是：返回復位響應數(shù)據(jù)的長度、復位響應數(shù)據(jù)）;

　　◇ 函數(shù)2 void Power_off（void）：觸點釋放子程序;

　　◇ 函數(shù)3 WORD CPUC_Cmd（BYTE len，BYTE* comm， BYTE *lenr， BYTE* resp）：CPU卡命令子程序（參數(shù)含義分別是：發(fā)送命令長度、發(fā)送命令、返回字節(jié)數(shù)、返回數(shù)據(jù)），函數(shù)返回狀態(tài)字節(jié)SW1SW2。

　　參考文獻

　　1 全國標準化技術(shù)委員。 中國金融集成電路（IC）卡規(guī)范（V1.0）。 北京：中國金融出版社

　　2 中國華大集成電路設計中心。 CIU9102智能卡接口特性和通信規(guī)程