利用安全處理器和多協(xié)議接口簡(jiǎn)化智能卡設(shè)計(jì)

文章出處：http://www.xujuanpiju.com 作者：Frank Taylor   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年09月27日

    智能卡在今天快節(jié)奏的經(jīng)濟(jì)生活中已經(jīng)無處不在，它將逐步代替以磁條貯存帳戶信息的付費(fèi)卡。智能卡通常制作成衣服口袋大小的卡片，與標(biāo)準(zhǔn)的信用卡類似，上面嵌入集成電路，一般是非易失存貯器或帶有非易失存貯器的安全處理器。智能卡上面還嵌入了多個(gè)電子觸點(diǎn)，通過這些電子觸點(diǎn)可以與內(nèi)部存貯器或處理器通信。 

    智能卡的核心在于嵌入式微控制器對(duì)數(shù)據(jù)的處理和加密功能，處理能力增強(qiáng)了安全性。由于智能卡的成本較高，與IC卡接口需要更新相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)備，從而減緩了由磁卡向智能卡轉(zhuǎn)變的過程。然而，隨著對(duì)安全性要求的提高，特別是當(dāng)手機(jī)和PDA存放了更多數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)IC卡及其它存貯介質(zhì)(如SD、miniSD、microSD等)的需求也不斷提高。手機(jī)里的用戶識(shí)別模塊(SIM卡)和支付終端都可以看作智能卡。 

    為了處理智能卡交易，需要連接一個(gè)能夠安全地訪問內(nèi)嵌存儲(chǔ)器或處理器的讀卡器，從而讀出信息并將操作結(jié)果寫回卡內(nèi)。智能卡的物理尺寸和信號(hào)接口已經(jīng)由標(biāo)準(zhǔn)組織定義(如ISO-7816)，并且EuroCard、Mastercard和Visa(EMV)等組織也對(duì)智能卡尋址操作建立了一系列的標(biāo)準(zhǔn)。

    智能卡的電氣接口由8個(gè)觸點(diǎn)組成，排列并嵌入到塑料卡上，見表1，8個(gè)觸點(diǎn)中，EMV只用了5個(gè)，其中兩個(gè)是電源和地，其余三個(gè)觸點(diǎn)是信號(hào)觸點(diǎn)，通過這三個(gè)觸點(diǎn)對(duì)卡進(jìn)行讀、寫操作。C2是復(fù)位線，C3是時(shí)鐘線，C7是串行I/O線。

    最初，卡的規(guī)范規(guī)定供電電壓為5V±10%（A類卡），現(xiàn)在已更改為3V±10%（AB類卡），以后要轉(zhuǎn)變成1.85V±10%（ABC類卡）。最終目標(biāo)是在2009年6月全部淘汰A類卡，僅保留AB類或ABC類卡。

    與智能卡接口的終端必須提供多種供電電壓和適當(dāng)?shù)男盘?hào)電平，接口規(guī)范還要求終端能夠承受卡的任意兩個(gè)觸點(diǎn)間的短路。使用專用的芯片提供必要的電源和信號(hào)電平與比利用大量分立器件完成同樣任務(wù)更具優(yōu)勢(shì)。DS8007就是一款這樣的專用器件，除了滿足上述模擬功能外，它還包含F(xiàn)IFO、處理器接口和支持卡通信的時(shí)序控制邏輯電路。 　

    為了更好地理解MCU和多協(xié)議接口電路的工作，我們先來研究一下智能卡接口和與卡通信的基本步驟。我們給出了一個(gè)利用安全微控制器DS5002設(shè)計(jì)接口終端實(shí)現(xiàn)協(xié)議和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆独珼S8007接口電路提供信號(hào)接口、電荷泵和穩(wěn)壓器，為智能卡提供適當(dāng)?shù)碾娫础Ｓ脙蓚€(gè)芯片即可組成雙智能卡接口終端。

    RST和CLK信號(hào)是智能卡的輸入，由接口終端(DS5002和DS8007)提供。復(fù)位信號(hào)為低電平有效，可異步復(fù)位智能卡。為了控制整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸，頻率范圍從1MHz～5MHz的時(shí)鐘信號(hào)通過終端接口連接到智能卡的時(shí)鐘觸點(diǎn)(C3)。最后，數(shù)據(jù)通過I/O觸點(diǎn)(C7)從智能卡傳輸?shù)阶x卡器(發(fā)送模式)，或數(shù)據(jù)從讀卡器傳輸?shù)絀C卡(接收模式)。EMV規(guī)范規(guī)定，除非I/O觸點(diǎn)正在發(fā)送數(shù)據(jù)，否則智能卡的I/O觸點(diǎn)應(yīng)設(shè)置為接收模式。 　

    終端接口要求

    當(dāng)卡插入終端時(shí)，卡觸點(diǎn)連接到終端觸點(diǎn)并被激活。控制器將卡復(fù)位，然后通過一串字符(請(qǐng)參考應(yīng)答復(fù)位ATR)建立卡與終端的通信；接下來是交易處理，交易結(jié)束后，觸點(diǎn)置于禁止?fàn)顟B(tài)，此后可將卡拔出或彈出。 

    ATR字符串建立最初的通信信息，包括指定協(xié)議、位時(shí)序和后續(xù)的數(shù)據(jù)通信信息。ATR序列包括初始化字符、TS及最大32個(gè)字節(jié)的附加字符，這些字符組合在一起，通知終端在隨后的交易中如何與卡通信。而后續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸也能改變某些通信參數(shù)，ATR只是建立了最基本的通信條件。

    字符傳輸中的每一位定義為基本時(shí)間單元(ETU)，ETU的時(shí)間長短與智能卡的CLK時(shí)鐘周期成線性關(guān)系。ATR通信過程中的位定時(shí)稱為初始ETU。

    任何通信字符都包含10位數(shù)據(jù)，持續(xù)時(shí)間為10ETU。第一位是起始位，它總是低電平，起始位之前I/O默認(rèn)為高電平。每個(gè)字符的最后位是校驗(yàn)位，由發(fā)送方?jīng)Q定，可能是高電平，也可能是低電平，其作用是保證整個(gè)字符中1的個(gè)數(shù)為偶數(shù)。圖1給出了一個(gè)位模板的例子，每個(gè)字符由10位組成，包括1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位和1個(gè)校驗(yàn)位。每兩個(gè)字符之間通過一個(gè)最小安全周期進(jìn)行分隔。

    在ISO-7816規(guī)范中，4位用于選擇卡通信協(xié)議。目前16種協(xié)議中只用了兩種，分別命名為T=0和T=1。這兩種都是半雙工模式(任何時(shí)刻，數(shù)據(jù)只能單向傳輸)、異步通信方式。T=0是以基于字符的通訊格式，而T=1是基于數(shù)據(jù)塊的通信格式。所有兼容EMV標(biāo)準(zhǔn)的智能卡必須支持T=0或T=1協(xié)議，所有終端必須同時(shí)支持這兩種協(xié)議。 　　

    當(dāng)卡插入終端后，所有觸點(diǎn)保持低電平狀態(tài)，電源VCC立即加到觸點(diǎn)C1。終端在確認(rèn)電壓穩(wěn)定并滿足規(guī)范限制后，將自身的I/O觸點(diǎn)置成接收模式，并向卡的C3提供時(shí)鐘(CLK)信號(hào)。在時(shí)鐘信號(hào)開始的200個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，終端須將I/O口置為高阻態(tài)(接收模式)，卡的I/O口則置于發(fā)送模式。 

    經(jīng)過40000個(gè)~45 000個(gè)時(shí)鐘周期后，終端向卡的RST端發(fā)出一個(gè)高電平，以激活卡。卡須在RST上升沿后400個(gè)~40000個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)向終端發(fā)送一個(gè)ATR字符應(yīng)答終端。ATR包含后續(xù)通信操作的詳細(xì)信息，包括T=0或T=1協(xié)議的選擇。如果沒有指定協(xié)議，則終端默認(rèn)通信協(xié)議為T=0。 

    ATR序列的第一個(gè)字符定義為起始字符TS。TS的前4位包含1個(gè)低電平起始位，然后是兩個(gè)高電平位，最后是一個(gè)低電平位。這種固定位模板允許TS同步信息傳輸。TS的后續(xù)三位如果全為高平電，則表示后續(xù)數(shù)據(jù)為正向約定解碼(傳數(shù)據(jù)時(shí)，低位在前)；如果這些位全部為低電平，則表示后續(xù)數(shù)據(jù)為反向約定解碼(傳數(shù)據(jù)時(shí)，高位在前)。EMV規(guī)范允許使用反向約定，但推薦在新的卡設(shè)計(jì)中使用正向約定。

    TS的最后三位由兩個(gè)低電平位和一個(gè)校驗(yàn)位組成，10位字符幀的最后一位是校驗(yàn)位，該位電平保證這一幀中1的個(gè)數(shù)為偶數(shù)。 　

    ATR序列的第二個(gè)字符為格式字符，稱為T0。這個(gè)字符包含兩部分，用來確定后續(xù)ATR所包含的字符。T0的高4位稱為Y1，用來指示隨后所發(fā)送的TA1、TB1、TC1或TD1，0個(gè)~4個(gè)字符的發(fā)送取決于Y 1中有多少位置1。

    T0的低4位用K表示，代表數(shù)字0到15，表示后續(xù)ATR序列中包含的“歷史字節(jié)”。“歷史字節(jié)”提供卡的一般信息，比如卡的制造商、卡內(nèi)芯片、芯片ROM或卡的使用期限等。ISO-7816和EMV規(guī)范都沒有對(duì)該部分信息傳輸進(jìn)行準(zhǔn)確的定義。

    如果ATR中帶有TB1字符，則它傳遞的是智能卡對(duì)編程電壓的要求：b1～b5位(稱為PI1)指出編程電壓；b6和b7(稱為II)指出編程需要的最大電流。與基本EVM兼容的ATR，TB1=00，說明VPP沒有連接到智能卡。

    TC1字符傳送的數(shù)字N決定從終端向智能卡發(fā)送的兩個(gè)相鄰字符之間需要加入的額外安全時(shí)間。這個(gè)數(shù)字不會(huì)影響從卡到終端的字符傳輸，也不影響兩個(gè)相反方向的字符傳輸。N所代表的二進(jìn)制數(shù)指明加入額外安全時(shí)間的ETU數(shù)目。當(dāng)TC1=FF時(shí)，兩個(gè)字符之間使用最短的延遲時(shí)間，在T=0協(xié)議中，這個(gè)時(shí)間是12個(gè)ETU，在T=1協(xié)議中，這個(gè)時(shí)間是11個(gè)ETU。N可以是0～255的任何數(shù)字。如果ATR中不含TC1，終端將默認(rèn)為TC1=00而繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)工作。由于N可以在字符傳輸時(shí)加入額外的時(shí)間，它可以將輸入速率降到最低。表2是對(duì)EMV規(guī)范中T=0協(xié)議的ATR總結(jié)。

    一旦ATR過程結(jié)束，開始交易過程。不論是哪種特定的操作，交易都是由終端向智能卡發(fā)送指令，智能卡執(zhí)行這些指令(并可將執(zhí)行結(jié)果返回給終端)。卡的操作可以是簡(jiǎn)單地指定內(nèi)存讀操作，也可以是比較復(fù)雜的，如執(zhí)行一次加密運(yùn)算。不論是哪種，終端與卡之間的通信都按照應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元(APDU)的格式進(jìn)行。

    終端發(fā)出的特殊指令信息(C-APDU)將從卡端產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的應(yīng)答信息(R-APDU)，這些信息稱為APDU指令對(duì)。EMV規(guī)范對(duì)這兩種指令格式進(jìn)行了詳細(xì)定義，由終端發(fā)送的指令基本結(jié)構(gòu)必須包含4Byte的報(bào)頭，隨后是長度可選的數(shù)據(jù)部分，如圖2(a)所示。報(bào)頭的4個(gè)字節(jié)包括CLA、INS、P1和P2，它們規(guī)定了指令的類別，指令碼及支持特定指令的參數(shù)。C-APDU報(bào)頭后面跟隨數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，由命令Lc指定，而終端希望智能卡應(yīng)答信息的字節(jié)數(shù)由指令Le指定。 

    智能卡的應(yīng)答信息(R-APDU)也由多個(gè)字節(jié)組成，如圖2(b)所示，格式化成3段，分別是數(shù)據(jù)(主體)和代表指令處理狀態(tài)的SW1、SW2(尾部)。正常完成指令時(shí)，智能卡返回SW1的值為0x90和SW2的值0x00，其它返回值表示運(yùn)行錯(cuò)誤或有提示信息產(chǎn)生1。

    為了處理全部的終端交易，安全微控制器DS5002可以編程實(shí)現(xiàn)握手和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。我們已經(jīng)針對(duì)DS5002和DS8007(包含在DS8007評(píng)估板內(nèi))開發(fā)完成了一些例程，實(shí)現(xiàn)終端與IC卡的會(huì)話過程，包括上電、ATR、APDU和斷電。如果將評(píng)估板連接到串口接收終端，評(píng)估板及其軟件將以38400的波特率通過RS232串口傳輸數(shù)據(jù)。 

    關(guān)于該軟件的詳細(xì)說明已經(jīng)超出本文范疇，但我們可以提供基于DS5002和接口芯片DS8007設(shè)計(jì)方案所能完成的基本智能卡接口的源代碼，設(shè)計(jì)方案的電路如圖3所示。軟件可從目錄下的an4029_sw.zip文件中獲得。該文件包含全部的C代碼(main.c，ds8007.c，LCD Funct.c)和產(chǎn)生HEX文件(DS8007.hex)所需的匯編源代碼(Startup.a51)。這些代碼用Keil PK51和mVision集成開發(fā)環(huán)境編譯并鏈接。mVision項(xiàng)目文件(ds8007.Uv2)也在這個(gè) .zip文件中可以找到。編譯完后，.HEX文件被下載到DS8007評(píng)估板并運(yùn)行。

    為了測(cè)試?yán)蹋覀兪褂昧艘黄珹CS提供的基于微控制器的智能卡。這種卡可以執(zhí)行內(nèi)嵌的ACS智能卡操作系統(tǒng)版本1，或ACOS1。該卡具備如下特點(diǎn)：用來存放應(yīng)用數(shù)據(jù)的8kB E2PROM、DES和MAC功能、基于隨機(jī)數(shù)的過程密鑰、相互認(rèn)證的密鑰對(duì)、持卡人可以更改的PIN碼，符合ISO-7816-3，T=0協(xié)議。

    ACOS1文件規(guī)定IC卡應(yīng)該返回19Byte的復(fù)位數(shù)據(jù)(ATR)，返回T0的數(shù)值是0xBE。高半字節(jié)(0xB)表明TA1、TB1和TD1將在TS后續(xù)的ATR中出現(xiàn)。低半字節(jié)(0xE)表明ATR響應(yīng)中有14個(gè)歷史字節(jié)。因此，從卡傳送過來的ATR一共有19個(gè)字節(jié)。

    (作者：Frank Taylor，Maxim公司)