智能卡COS芯片層模塊設(shè)計(jì)與測(cè)試方案研究

1 智能卡操作系統(tǒng)概述
    片內(nèi)操作系統(tǒng)(Chip Operating System，COS)一般是緊緊圍繞著它所服務(wù)的智能卡的特點(diǎn)而開(kāi)發(fā)的。與常見(jiàn)的微機(jī)上的操作系統(tǒng)相比，COS在本質(zhì)上更加接近于監(jiān)控程序。在此以具體開(kāi)發(fā)實(shí)例說(shuō)明卡片操作系統(tǒng)的基本問(wèn)題，并提出一種可行可測(cè)試的芯片層設(shè)計(jì)方案及一種芯片底層的測(cè)試方案。

2 COS芯片模塊設(shè)計(jì)
    COS底層模塊在設(shè)計(jì)時(shí)一般都是緊密結(jié)合智能卡內(nèi)存儲(chǔ)器分區(qū)的情況，按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的一些功能進(jìn)行設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)。
    IS07816是接觸式智能卡必須遵循的國(guó)際規(guī)范其中IS07816—3主要描述接觸式智能卡的電信號(hào)和傳輸協(xié)議，其中包括各個(gè)觸點(diǎn)的電壓電流承受范圍、卡復(fù)位應(yīng)答各個(gè)信息位的實(shí)際表示和T=0，T=1的傳輸協(xié)議。ISO／IEC 7816—3規(guī)定了IC卡的電氣特性和傳輸協(xié)議。包括該類(lèi)卡和接口設(shè)備問(wèn)的電源、電氣信號(hào)協(xié)議和信息交換協(xié)議。通信過(guò)程中，由接口設(shè)備給IC卡提供電源(Vcc)，復(fù)位信號(hào)(RST)和時(shí)鐘(CLK)，卡和接口設(shè)備間通過(guò)I／O端口進(jìn)行串行通信。
    (1)通信模塊設(shè)計(jì)。根據(jù)T=0異步半雙工字符傳輸協(xié)議，Ic卡和接口設(shè)備之間以字符為單位(簡(jiǎn)稱(chēng)字符幀)進(jìn)行傳輸，采用偶校驗(yàn)，每個(gè)字符由10 b組成。傳輸字符幀之前，I／O線(xiàn)處于狀態(tài)z，第1 b為起始位(狀態(tài)A)；后面8 b為數(shù)據(jù)位D1～D8；第10 b為偶校驗(yàn)位，即8位數(shù)據(jù)和奇偶校驗(yàn)位中1的個(gè)數(shù)為偶數(shù)。
    串行通信是按位傳送的，每位信息寬度(持續(xù)時(shí)間)定義為基本時(shí)間單位ETU(Elementary Time Unit)。在復(fù)位應(yīng)答期間的信息寬度稱(chēng)為“初始ETU”，它等于372個(gè)時(shí)鐘周期，即1ETU=372／f。復(fù)位應(yīng)答后的信息寬度稱(chēng)為“當(dāng)前ETU”，其計(jì)算公式為：當(dāng)前ETU=(F／D)(1／f)。其中：F是時(shí)鐘頻率變換因數(shù)；D是比特率調(diào)整因數(shù)；f是時(shí)鐘頻率。
    IC卡必須與相應(yīng)的讀寫(xiě)設(shè)備(IFD)通信。從這個(gè)角度講，智能IC卡操作系統(tǒng)的作用就是從讀寫(xiě)設(shè)備(IFD)接收命令、執(zhí)行命令并將結(jié)果返回讀寫(xiě)設(shè)備(IFD)。所以，通信管理功能模塊在操作系統(tǒng)中具有十分重要的作用。通信管理功能模塊主要實(shí)現(xiàn)以下幾種功能：實(shí)現(xiàn)某一通信協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層的傳輸管理功能；實(shí)現(xiàn)ISO／IEC 7816標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的ATR(復(fù)位響應(yīng))等功能；為操作系統(tǒng)中的其他功能模塊提供相應(yīng)接口。
    按ISO／IEC 7816標(biāo)準(zhǔn)，IC卡和讀寫(xiě)設(shè)備之間的通信協(xié)議有多種，一般一種卡片只支持某一種通信協(xié)議。下面以符合ISO／IEC 7816—3標(biāo)準(zhǔn)的T=0字符傳輸協(xié)議的智能IC卡為例介紹通信管理功能(支持其他通信協(xié)議的卡的通信管理功能與此相似)。
    ICC上電之后，IFD將向ICC發(fā)送命令數(shù)據(jù)，在這樣一次典型的通信過(guò)程中，通信管理功能主要從事6個(gè)步驟的具體工作。如圖1所示。

    以下是卡片接收指令相關(guān)的源代碼：

    (2)硬件模塊設(shè)計(jì)。智能卡COS上電后首先要進(jìn)行芯片初始化，其主要設(shè)置以下幾個(gè)方面：芯片初始工作時(shí)的頻率，以及使用外頻還是內(nèi)頻；芯片串口初始工作的速率(一般為“l(fā)l”的波特率)-芯片串口的工作模式(包括T=0還是T=1協(xié)議，正向傳輸還是反向傳輸，奇校驗(yàn)還是偶校驗(yàn)等)；存儲(chǔ)器的初始映射方式。
    智能卡芯片(以下以51系列智能卡芯片為例)一般包含幾十到幾百KB的FLASH，以1個(gè)頁(yè)面為單位進(jìn)行擦除，根據(jù)FLASH編程寫(xiě)的特點(diǎn)，也就是1能寫(xiě)成0，而0不能寫(xiě)成1，故在設(shè)計(jì)編程寫(xiě)函數(shù)時(shí)為了保證寫(xiě)數(shù)據(jù)的正確性，特采取如下的方式實(shí)現(xiàn)此功能：
    第一步：取出要寫(xiě)入地址的數(shù)據(jù)(為A)，與要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)(為B)進(jìn)行與操作(結(jié)果為C)；
    第二步：在要寫(xiě)入數(shù)據(jù)的地址寫(xiě)入數(shù)據(jù)(B)；
    第三步：取出寫(xiě)人數(shù)據(jù)后的地址的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)C進(jìn)行比較。
    對(duì)于51系列智能卡芯片，由于標(biāo)準(zhǔn)的8051對(duì)程序存儲(chǔ)器最大值支持64 KB，所以芯片采用BANK的編址方式。這時(shí)往往需要一個(gè)映射函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同BANK的跳轉(zhuǎn)。如果一款智能卡芯片的程序存儲(chǔ)器采用128 KB的FLASH用來(lái)存放COS和用戶(hù)數(shù)據(jù)。128 KB的FLASH均分4個(gè)32 KB的BANK，在這4個(gè)區(qū)域里，Commom區(qū)是3個(gè)Bnak的公共區(qū)域，即Commom區(qū)和每個(gè)32 KB的BANK都可以組成64 KB的連續(xù)空間。3個(gè)Bnak之間不能直接互相訪(fǎng)問(wèn)，而必須調(diào)用Commom區(qū)里的程序才能實(shí)現(xiàn)相互的訪(fǎng)問(wèn)。所以在創(chuàng)建工程時(shí)要把經(jīng)常使用的程序和常數(shù)，如中斷入口函數(shù)、Bank Switch跳轉(zhuǎn)表等都放到Commom區(qū)里，這樣才能實(shí)現(xiàn)各個(gè)區(qū)域的相互訪(fǎng)問(wèn)。
    (3)異常保護(hù)模塊設(shè)計(jì)。IS07816—3規(guī)定2個(gè)連續(xù)字符上升沿之間的延遲至少是12 ETU，且2個(gè)連續(xù)字符上升沿之間的延遲應(yīng)不超過(guò)9 600 ETU。所以COS在設(shè)計(jì)時(shí)要加入發(fā)送“60”來(lái)實(shí)現(xiàn)正常的通信。
    發(fā)送“60”采用芯片定時(shí)器中斷的方式，設(shè)置定時(shí)器的工作模式，使用時(shí)鐘和的初始值。定時(shí)器的中斷服務(wù)程序的實(shí)現(xiàn)流程：關(guān)閉發(fā)送“60”定時(shí)器；發(fā)送“60”；打開(kāi)發(fā)送“60”定時(shí)器。
    操作系統(tǒng)的異常處理，此函數(shù)為COS進(jìn)行異常狀態(tài)時(shí)調(diào)用的函數(shù)。進(jìn)入異常狀態(tài)時(shí)，要關(guān)閉發(fā)送“60”的定時(shí)器，然后進(jìn)入死循環(huán)狀態(tài)。

3 芯片測(cè)試方案設(shè)計(jì)
    以下提出一種針對(duì)芯片模塊函數(shù)的測(cè)試方案。即嵌入式Testing COS。
    (1)Testing COS測(cè)試平臺(tái)組成。T-COS平臺(tái)由MAIN．C文件、API．C文件、常量配置、A51文件以及芯片庫(kù)、LIB文件組成。其中，針對(duì)不同的芯片，main．c，api．C是相同的，而常量配置文件和芯片庫(kù)文件則不同，在使用時(shí)需要更改或更換。
    另外，MAIN．C文件中的CommandInterpreter()命令解釋器函數(shù)是對(duì)發(fā)送命令的識(shí)別解釋(在此函數(shù)中，為所有需要測(cè)試的函數(shù)定義了指令嗎)。被測(cè)函數(shù)的函數(shù)體在API．C文件中。芯片庫(kù)在API．C文件中被具體調(diào)用。
    此Testing COS可直接寫(xiě)入智能卡中，設(shè)計(jì)思路是：采用直接APDU指令調(diào)用的形式，直接調(diào)用硬件模塊函數(shù)，如擦一頁(yè)函數(shù)。執(zhí)行完指令，函數(shù)返回一個(gè)狀態(tài)字。
    主程序是一個(gè)死循環(huán)，如下：

   
    命令解釋器函數(shù)支持多個(gè)函數(shù)，為用戶(hù)對(duì)硬件的直接操作提供接口，可以通過(guò)發(fā)送APDU指令實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片的多種操作。

    例如：APDU：80 00 10 00 00表示擦除地址0x1000所在頁(yè)面。
    APDU：80 0C 10 00 10表示從地址Oxl000開(kāi)始讀取長(zhǎng)度為Oxl0的數(shù)據(jù)。 
    (2)Tesling COS測(cè)試平臺(tái)的使用。T—COS測(cè)試 平臺(tái)測(cè)試流程，如圖2所示：

    (3)Testing COS測(cè)試平臺(tái)局限性分析。T—COS平臺(tái)使用方便簡(jiǎn)潔，易于觀察執(zhí)行結(jié)果，但是其不能觀察過(guò)程。因此，在返回結(jié)果與預(yù)期結(jié)果不一致，或者出現(xiàn)錯(cuò)誤的情況下，無(wú)法判斷產(chǎn)生錯(cuò)誤的原因。在這種情況下，需要借助仿真器，跟蹤執(zhí)行過(guò)程，最終找出產(chǎn)生問(wèn)題的原因。

4 結(jié) 語(yǔ)
    智能卡操作系統(tǒng)根本的部分就在于芯片底層各個(gè)模塊的穩(wěn)固性。芯片層開(kāi)發(fā)是電信、稅控等產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的重要組成部分之一，也是最基礎(chǔ)的部分。為了保證電信、稅控產(chǎn)品可以在不同芯片之間的平穩(wěn)移植，需要對(duì)芯片層的開(kāi)發(fā)提出一定的要求和標(biāo)準(zhǔn)，這樣可以保證上層開(kāi)發(fā)的一致性。