CPU卡的接口特性、傳輸協(xié)議與讀寫(xiě)程序設(shè)計(jì)

　IC卡的概念是20世紀(jì)70年代提出的。法國(guó)BULL公司首創(chuàng)IC卡產(chǎn)品，并將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到金融、交通、醫(yī)療、身份證明等多個(gè)方面。IC卡的核心是集成電路芯片，一般為3μm以下的半導(dǎo)體技術(shù)制造。IC卡具有寫(xiě)入數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的能力。IC可存儲(chǔ)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(yàn)用。

　　根據(jù)各種集成電路的不同，IC卡可以分為以下三類(lèi)：存儲(chǔ)器卡、邏輯加密卡與CPU卡。其中，存儲(chǔ)器卡僅有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力，沒(méi)有安全措施;邏輯加密卡僅有幾個(gè)字節(jié)的密碼，卡中有一個(gè)錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器，如果指定次數(shù)驗(yàn)證密碼失敗，則卡中數(shù)據(jù)被自動(dòng)鎖死，該卡數(shù)據(jù)不能再更改;CPU卡是這三類(lèi)IC卡中最高級(jí)的卡，一般有ROM、RAM和EEPROM三種存儲(chǔ)器。ROM中存放的是程序，程序是為IC卡的CPU專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的，用來(lái)解釋讀寫(xiě)器終端送來(lái)的命令。IC卡應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用需要由終端送一系列命令到CPU卡，通過(guò)改變命令的內(nèi)容和命令的順序就可以滿(mǎn)足不同的需要，因此有較高的靈活性;同時(shí)，因?yàn)镃PU有計(jì)算功能，存儲(chǔ)容量又大，可以進(jìn)行比較復(fù)雜的加密/解密運(yùn)算，極大提高了安全性。EEPROM主要用來(lái)存放一些應(yīng)用數(shù)據(jù)，其容量比邏輯加密卡大，可實(shí)現(xiàn)一卡多用，是目前最安全的卡類(lèi)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(diǎn)定義

　　觸點(diǎn)的定義遵循ISO7816－2的規(guī)定，如圖1所示。符號(hào)說(shuō)明如表1所列。

　　圖1 CPU卡的觸點(diǎn) 

　　表1 符號(hào)說(shuō)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(gè)位寬是1個(gè)etu，etu = 372/f。在此處，f = 3.57 MHz。

　　起始位由接收端通過(guò)對(duì)I/O周期采樣獲得，采樣周期應(yīng)小于0.2 etu。2個(gè)連續(xù)字符起始位上升沿之間的間隔時(shí)間等于（10±0.2）etu加上1個(gè)保護(hù)時(shí)間（最少2個(gè)etu）。在保護(hù)時(shí)間內(nèi)，卡與終端都應(yīng)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(cè)出奇偶錯(cuò)誤，則I/O被置為低電平，以向發(fā)送方表明出現(xiàn)錯(cuò)誤。

　　1.3 卡操作

　　卡操作的步驟如下：

　?、?將卡插入終端接口設(shè)備，使兩者的觸點(diǎn)相接并激活觸點(diǎn);

　?、?將卡復(fù)位，建立卡與終端間的通信;

　?、?執(zhí)行操作;

　?、?釋放觸點(diǎn)，并從接口設(shè)備取出卡片。

　　以下是除第③步（執(zhí)行操作）以外，各步的時(shí)序要求。

　?。?） 觸點(diǎn)激活

　　時(shí)序如圖3所示。

　　圖3 觸點(diǎn)激活時(shí)序

　?。?） 卡復(fù)位

　　卡利用低電平復(fù)位來(lái)完成異步復(fù)位應(yīng)答，隨著觸點(diǎn)的激活，終端將進(jìn)行一個(gè)冷復(fù)位并從卡獲得復(fù)位應(yīng)答。冷復(fù)位時(shí)序如圖4所示。

　　圖4 冷復(fù)位時(shí)序

　　冷復(fù)位過(guò)程之后，如果收到的復(fù)位應(yīng)答信號(hào)不滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，終端將啟動(dòng)一個(gè)熱復(fù)位并從卡獲得復(fù)位響應(yīng)。熱復(fù)位時(shí)序如圖5所示。

　　圖5 熱復(fù)位時(shí)序

　　在實(shí)際程序設(shè)計(jì)時(shí)，由Reset子程序?qū)崿F(xiàn)觸點(diǎn)激活和卡復(fù)位。

　　（3） 觸點(diǎn)釋放時(shí)序

　　觸點(diǎn)釋放時(shí)序過(guò)程如圖6所示。

　　圖6 觸點(diǎn)釋放時(shí)序

　　2 傳輸協(xié)議與卡命令處理程序

　　ISO7816－4及中國(guó)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(shí)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(guò)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(gè)連續(xù)4字節(jié)的命令頭，用CLA、INS、P1和P2以及1個(gè)可變長(zhǎng)度的條件體來(lái)表示。

　　命令頭定義如下：

　　◇ CLA：指令類(lèi)別，除“FF”外的任何值;

　　◇ INS：在指令類(lèi)別中的指令碼，當(dāng)最低位是“0”，并且高位半字節(jié)既不是“6”也不是“9”時(shí)，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(zhǎng)度）占1個(gè)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(zhǎng)度）占1個(gè)字節(jié)，指出命令響應(yīng)中預(yù)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(yù)期數(shù)據(jù)字節(jié)的最大長(zhǎng)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(yīng)用層（TAL）初始化。它通過(guò)終端傳輸層（TTL）向卡發(fā)送1個(gè)由5個(gè)字節(jié)組成的命令頭，并等待一個(gè)過(guò)程字節(jié)。

　　2.2 過(guò)程字節(jié)

　　卡收到命令后，緊接著返回一個(gè)過(guò)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(dòng)作后將等待另一個(gè)過(guò)程字節(jié)。在（3）情況中，第二個(gè)過(guò)程字節(jié)或狀態(tài)碼（SW2）被收到后，TTL將做以下事情：

　　◇ 如果過(guò)程字節(jié)為“61”，TTL將發(fā)送一個(gè)最大長(zhǎng)度（P3）為“XX”的得到響應(yīng)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(bào)文的結(jié)構(gòu)如表4所列。

　　表4

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

　　◇ 如果過(guò)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(guò)命令響應(yīng)返回狀態(tài)碼給上一層--終端應(yīng)用層（TAL），由TAL處理，并等待下一個(gè)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(guò)程的流程圖，具體程序見(jiàn)本刊網(wǎng)站。

　　圖7 卡命令處理程序流程圖

　　以下是引腳說(shuō)明。

　　ECPU：決定卡的CLK觸點(diǎn)上是否有CLK信號(hào)的引腳;

　　ICVCC：終端與卡的Vcc觸點(diǎn)相接觸的引腳;

　　ICIO： 終端與卡的I/O觸點(diǎn)相接觸的引腳;

　　ICCLK：終端與卡的CLK觸點(diǎn)相接觸的引腳;

　　ICRST：終端與卡的RST觸點(diǎn)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(shí)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(shí)器1實(shí)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(shí)器1實(shí)現(xiàn);

　　◇ 函數(shù)1 void Reset（BYTE *len， BYTE *resp）：復(fù)位子程序（參數(shù)含義分別是：返回復(fù)位響應(yīng)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度、復(fù)位響應(yīng)數(shù)據(jù)）;

　　◇ 函數(shù)2 void Power_off（void）：觸點(diǎn)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(zhǎng)度、發(fā)送命令、返回字節(jié)數(shù)、返回?cái)?shù)據(jù)），函數(shù)返回狀態(tài)字節(jié)SW1SW2。

　　參考文獻(xiàn)

　　1 全國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員。 中國(guó)金融集成電路（IC）卡規(guī)范（V1.0）。 北京：中國(guó)金融出版社

　　2 中國(guó)華大集成電路設(shè)計(jì)中心。 CIU9102智能卡接口特性和通信規(guī)程