IC卡接口芯片TDA8007的讀寫器設(shè)計(jì)
關(guān)鍵詞：CPU IC卡 TDA8007 ISO7816
IC卡（Integrated Circuit card）即集成電路卡，是將一個(gè)集成電路芯片鑲嵌于朔料基片中，封裝成卡的形式，外形與常用的覆蓋磁條的磁卡相似。IC卡芯片具有寫入和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的能力。IC卡存儲(chǔ)器中的內(nèi)容根據(jù)需要可以有條件地供外部讀取，或供內(nèi)部信息處理和判定。根據(jù)卡中所鑲嵌的集成電路的不同，可以分成存儲(chǔ)器卡、邏輯加密卡、CPU卡三類。其中CPU卡即為由中央處理器CPU、EEPROM、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM以及固化在只讀存儲(chǔ)器ROM中的片內(nèi)操作系統(tǒng)COS（Chip Operation System）組成的IC卡。IC卡按與外界數(shù)據(jù)傳送的形式來分，有接觸式和非接觸式兩種。
圖1 T=0的CPU卡APDU指令實(shí)現(xiàn)流程
1 CPU IC卡T=0的協(xié)議介紹
目前大多數(shù)CPU IC卡采用T=0模式。所謂T=0，即CPU IC卡與接口設(shè)備（即讀寫器）中數(shù)據(jù)傳輸方式為異步半雙工字符傳輸模式。
從T=0協(xié)議的功能出發(fā)，該協(xié)議的實(shí)現(xiàn)可以分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、終端傳輸層和應(yīng)用層。其中物理層和數(shù)據(jù)鏈路層可以具體參看ISO7816標(biāo)準(zhǔn)。在T=0協(xié)議應(yīng)用，終端傳輸層和應(yīng)用層實(shí)際上是不易分割來說明的，下面簡(jiǎn)單說明。
終端傳輸層根據(jù)卡片返回的過程字符和狀態(tài)字節(jié)執(zhí)行相應(yīng)的操作，使讀寫器對(duì)數(shù)據(jù)的處理過程明朗清晰?？ㄆ祷氐倪^程字節(jié)和狀態(tài)字節(jié)跟應(yīng)用層發(fā)送給卡的APDU（Application Protocol Data Unit，應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元）和VPP使用等有關(guān)。表1為VPP未用時(shí)的終端傳輸層中返回的過程字節(jié)。
表1
| 字 節(jié) | 值 |
結(jié) 果 |
| ACK | INS | VPP空閑，所有其余的數(shù)據(jù)字節(jié)相繼續(xù)被傳送 |
| INS+'FF' | VPP空閑，下一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)隨后被傳送 | |
| SW1 | SW2 | VPP空閑，接口設(shè)備等待SW2字節(jié) |
應(yīng)用層即為由CLA、INS、P1、P2、P3作為命令頭組成的命令消息體的APDU響應(yīng)和應(yīng)答處理層。其中CLA為指令類別，INS為指令碼，P1、P2為參數(shù)，P3為根據(jù)APDU的不同格式為發(fā)送給卡的數(shù)據(jù)長度或期望響應(yīng)的數(shù)據(jù)長度。APDU的幾種情況如表2所列。
表2
| 命令頭 | 發(fā)送數(shù)據(jù)長度 | 發(fā)送的數(shù)據(jù) | 期望應(yīng)答的數(shù)據(jù)長度 | |
| 通用APDU | CLA INS P1 P | LC | Data | LE |
| 情況一 | CLA INS P1 P | |||
| 情況二 | CLA INS P1 P | LE | ||
| 情況三 | CLA INS P1 P | LC | Data | |
| 情況四 | CLA INS P1 P2 | LC | Data | LE |
CPU卡對(duì)接口設(shè)備（即讀寫器）的應(yīng)答APDU情況如表3所列。
表3
| 體 | 尾 |
| 數(shù)據(jù)Data | SW1 SW2 |
其中體中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)由命令A(yù)PDU中的LE指出；SW1、SW2是必備的，可以指明命令A(yù)PDU執(zhí)行正確或執(zhí)行出錯(cuò)的錯(cuò)誤類型。
2 基于T=0傳輸協(xié)議的CPU IC的APDU指令流程
根據(jù)目前CPU卡的常用T=0協(xié)議、自帶編程升壓電路的應(yīng)用情況，以及本讀寫器接收IC卡數(shù)據(jù)報(bào)文直接發(fā)送PC機(jī)處理的特點(diǎn)，本讀寫器可行的APDU命令和響應(yīng)的處理流程如圖1所示。
3 讀寫器的硬件組成
讀寫器的硬件部分主要由IC接口管理芯片TDA8007、MCUAT89C52、外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器W24257S、串口電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3226、安全I(xiàn)C卡座（即SAM卡座）、應(yīng)用IC卡座、鍵盤口供電的串口通信線及其它相關(guān)元器件組成。
圖2所示為通過PC機(jī)控制管理的外置于PC機(jī)的接觸式CPU IC卡讀寫器。通過定制的數(shù)據(jù)線，該讀寫器的5V直流電源可直接由鍵盤口提供，同時(shí)數(shù)據(jù)線還負(fù)責(zé)PC機(jī)與讀寫器的串行數(shù)據(jù)交換。在大部分IC卡讀寫應(yīng)用中，都涉及到IC卡的認(rèn)證和數(shù)據(jù)讀寫的國解密問題，所以本讀寫器除了提供一個(gè)供用戶使用的IC卡接口卡座外，還內(nèi)置了一個(gè)SAM卡，即安全I(xiàn)C卡卡座，以方便安裝SAM卡，保證應(yīng)用IC卡讀寫時(shí)的數(shù)據(jù)安全，保護(hù)用戶的利益。
硬件的其它組成部分，如處理器，目前采用Atmel的89C52。其4KB的Flash程序存儲(chǔ)器可以滿足讀寫器的程序空間需要。由于PC機(jī)與89C52、89C52與TDA8007的數(shù)據(jù)交換要求的暫存數(shù)據(jù)空間比較大，89C52提供的256字節(jié)不夠，需外加一片數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。本讀寫器中使用的是華邦的W24257S。其有32KB存儲(chǔ)容量，IC接口部分的主要芯片為Philips的TDA8007。
4 IC卡接口芯片應(yīng)用
下面介紹一下TDA8007及其應(yīng)用。TDA8007的原理結(jié)構(gòu)如圖3所示。
TDA8007芯片能夠提供兩個(gè)能同時(shí)滿足ISO7816標(biāo)準(zhǔn)及EMV和GSM11-11標(biāo)準(zhǔn)的IC卡讀寫接口。在本讀寫器中，一個(gè)用于與應(yīng)用IC通信，另一個(gè)用于與安全I(xiàn)C卡通信。與上文CPU卡的觸點(diǎn)圖相對(duì)應(yīng)，CLKi、RSTi、VCCi、I/Oi、GNDCi、PRESi、C4i、C8i（其中i=1,2；C4i、C8i未用；PRESi可用于檢測(cè)IC卡是否插入。具體應(yīng)用可參看TDA8007的技術(shù)文檔）都直接由TDA8007提供給IC卡接口相連，MCU只需通過其接口控制并行通信來管理TDA8007，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)IC卡的上電、下電及讀寫數(shù)據(jù)處理。其中，微處理器既可以通過總線復(fù)用把TDA8007內(nèi)部的所有寄存器作為外部存儲(chǔ)器，用MOVX尋址，也可以通過非總線復(fù)用方式訪問，此時(shí)TDA8007用AD0～AD3來區(qū)分內(nèi)部各寄存器。另外，TDA8007的片選信號(hào)和外部中斷信號(hào)線可以方便讀寫器處理多個(gè)IC卡頭。TDA8007的特別硬件ESD處理、接口短路處理、電源出錯(cuò)處理等也給IC卡和IC卡讀寫器提供了比較高的安全保護(hù)；同時(shí)，TDA8007內(nèi)部集成的電源管理功能允許TDA8007的供電范圍可達(dá)2.7～6.0V，并且TDA8007通過電源管理可以給IC卡提供5.0V、3.0V及1.8V的電源，以適合不同工作電壓的IC卡應(yīng)用。
圖3 IC卡接口芯片TDA8007的原理框圖
本讀寫器是通過總線復(fù)用對(duì)TDA8007的寄存器進(jìn)行控制的。其中MCU的P1.5為TDA8007的片選，P0口為與之通信的8位數(shù)據(jù)線，TDA8007的各寄存器預(yù)先被宏定義的成微處理器的一個(gè)外部數(shù)據(jù)單元（下面電程序處的定義），從而方便MCU訪問。下面結(jié)合TDA8007寄存器的定義和位分配，給出應(yīng)用TDA8007接口芯片對(duì)IC卡進(jìn)行上電激活和下電的程序。TDA8007的寄存器主要三類。第一類，通用寄存器：①卡槽選擇CSR；②硬件狀態(tài)HSR；③定時(shí)器TOR1、TOR2、TOR3。第二類，ISO7816串行處理寄存器：①串行狀態(tài)USR；②混合狀態(tài)MSR；③串行發(fā)送UTR；④串行接收URR；⑤隊(duì)列控制FCR。第三類，卡專屬寄存器：①可編程分頻PDR；②保護(hù)時(shí)間GTR；③串行控制UCR1、UCR2；④時(shí)鐘配置CCR；⑤上電控制PCR。注意：對(duì)于卡專屬的寄存器，即卡接口1、卡接口2分別對(duì)應(yīng)的寄存器，邏輯上具有相同的名及訪問地址，因而，對(duì)不同的瞳操作，需要通過CSR選擇對(duì)應(yīng)的卡槽來切換卡專卡屬寄存器的映射的物理空間。所以，接口設(shè)備每次從一個(gè)卡的上下電或讀寫轉(zhuǎn)向另一卡，都需要訪CSR設(shè)定對(duì)應(yīng)的卡槽。對(duì)于每個(gè)寄存器的位定義不再多述，主動(dòng)性者可參看TDA8007的技術(shù)文檔。
5 上下電過程及具體程序
圖4為IC卡的上電時(shí)序圖。要實(shí)現(xiàn)之，需對(duì)PCR進(jìn)行寫操作。其中START=PCR.0，RSTIN=PCR.2，VUP上升表示激活了TDA8007中的電壓轉(zhuǎn)換電路。當(dāng)START置高時(shí)，只要能檢測(cè)到選定卡槽中的IC卡存在，且沒有TDA8007能檢測(cè)到并在HSR中指示的硬件錯(cuò)誤出現(xiàn)，則對(duì)應(yīng)IC卡接口的VCC1或VCC2將能被提供響應(yīng)的電平（5V、3V或1.8V）。隨后對(duì)應(yīng)卡的I/O數(shù)據(jù)線被置成高狀態(tài)（Z狀態(tài)），給IC卡提供設(shè)定的時(shí)鐘信號(hào)，常用為3.5712MHz。大約在START置高108ETU后，RSTIN置高。因?yàn)镽ST為RSTIN的拷貝，則對(duì)應(yīng)卡的RST被置高。然后，用TDA8007提供的定時(shí)器TOR3、TOR2設(shè)定對(duì)ATR（Answer To Request）即復(fù)位應(yīng)答首字節(jié)的最大等待時(shí)間120ETU（Element Time Unit），TOC設(shè)定定時(shí)器工作方式，便開始等待ATR首字節(jié)到來后做相應(yīng)處理。至此，IC卡上電激活工作完成，隨后可以根據(jù)ATR字節(jié)的要求的工作方式對(duì)IC卡進(jìn)行相應(yīng)的讀寫處理。具體見上電程序。
圖4 TDA8007產(chǎn)生滿足ISO 7816標(biāo)準(zhǔn)訴IC卡上電激活時(shí)序
TDA8007寄存器訪問的預(yù)定義
#include<absacc.h>
#define XXX XBYTE[0x8000]//XXX表示CSR等各寄存器上電程序如下：
P1.5=0; //片選TDA8007
CSR&=0xf8；
CSR|=ncard; //選擇卡，ncard=1,2
CSR&=0xf7；
CSR|=0xf7;
CSR|=0x08; //復(fù)位UART的寄存器
UCR2&=0xf7； //異步模式，SAN=0
CCR&=0xdf； //時(shí)鐘停止于低電平
UCR2|=0x60; //關(guān)閉附加中斷及收發(fā)中斷
GTR=0xff; //保持時(shí)間12ETU
If(v==1) //v為函數(shù)變量
PCR|=0x08; //1.8V卡用
else if(v==3)
PCR|=0x02; //3V卡用
Else
PCR&=0xfd; //5V卡用
UCR2&=0xfc; //CKU=PSC=0,--31
FCR=0x00; //1奇偶校驗(yàn)1FIFO
PDR=0x0c; //Divider=12
CCR=0x00; //不分頻
PCR&=0xfb; //RSTIN=0
UCR2|=0x04; //不自動(dòng)轉(zhuǎn)換
UCR1=0x01; //正向約定
UCR1&=0xf7； //接收模式
flag3=0; //復(fù)位定時(shí)標(biāo)志
flagatr=0; //接收ATR首字節(jié)定時(shí)標(biāo)志
PCR|=0x01; //激活
TOR2=0x6c;
TOR3=0x00;
TOC=0x61; //RST拉高前等待108ETU
while(flag3==0)； //定時(shí)時(shí)間到，在中斷中設(shè)置flag3=1
TOC=0x00； //關(guān)閉定時(shí)器
PCR|=0x04; //給復(fù)位拉高
TOR2=0x78;
TOR3=0x00;
TOC=0x61; //RST拉高前等待
flagatr=1;
ATR(); //復(fù)位應(yīng)答處理函數(shù)
圖5為IC卡的下電時(shí)序圖。相對(duì)于上電時(shí)序，下電過程對(duì)時(shí)間的要求不是很嚴(yán)格，只要設(shè)計(jì)者控制TDA8007按照一定的順序置低START、RSTIN和停止CLK即可，然后TDA8007會(huì)自動(dòng)逐步釋放RST、I/O、Vcc及VUP。具體處理見下電程序。
下電程序：
P15=0；
PCR&=0xfe; //START=0；下電
PCR&=0xfb; //卡的復(fù)位腳保持0
CCR&=0xdf； //停止時(shí)鐘于低
CCR|=0x10; //停止時(shí)鐘
P15=1；
6 使用TDA8007應(yīng)當(dāng)注意的問題
TDA8007對(duì)于Vcc、RST出錯(cuò)，芯片過熱（如圖IC卡為電源短路卡或金屬片），或IC卡插入拔出時(shí)都會(huì)產(chǎn)生中斷輸出。每次中斷處理結(jié)束，應(yīng)注意把HSR中的值讀入一個(gè)臨時(shí)地址，以便清楚HSR中的標(biāo)志。
每次發(fā)送數(shù)據(jù)到IC前，即接收IC卡的最后一個(gè)數(shù)據(jù)之前，應(yīng)設(shè)置寄存器UCR1中的LCT位，以便接收完IC卡的數(shù)據(jù)后，自動(dòng)切換成發(fā)送狀態(tài)。
對(duì)TDA8007部分布線時(shí)應(yīng)注意，時(shí)鐘信號(hào)線與其它線的隔離：最好被地線包圍。
對(duì)于電路板上TDA8007部分的電容應(yīng)盡量靠近TDA8007，其中電容Cap、Cbp、Cup尤其如此，并最好不要在這些電容連向TDA8007引腳過程中使用過孔；同時(shí)，Cap、Cup、Cbp電容的ESR要盡量小。
對(duì)TDA8007處理的兩個(gè)IC卡座中的任何一個(gè)執(zhí)行上電、下電、讀寫卡操作之前，必須執(zhí)行選擇卡座的操作函數(shù)，以便選中具體的IC卡進(jìn)行處理。
對(duì)IC卡操作中上電時(shí)序中的定時(shí)，讀寫卡字節(jié)間等待定時(shí)等都可使用TDA8007中的定時(shí)器及定時(shí)控制器操作，注意其定時(shí)器為向下計(jì)數(shù)方式。
結(jié)語
本文主要從CPU IC卡的T=0的協(xié)議出發(fā)，介紹此類IC讀寫器設(shè)計(jì)的一些技術(shù)問題。值得指出的是，T=0協(xié)議僅僅是IC卡與外界數(shù)據(jù)交換的一種傳輸協(xié)議，只要在軟件上適當(dāng)修改并利用接口芯片TDA8007突出的處理能力，本讀寫器完全可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其它ISO7816卡、EMV、GSM`11-11卡的讀寫。
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