CPU卡的接口的基本特性、通信協(xié)議與卡命令處理程序設(shè)定介紹

CPU卡也稱智能卡，卡內(nèi)的集成電路中帶有微處理器CPU、存儲單元（包括隨機(jī)存儲器RAM、程序存儲器ROM以及芯片操作系統(tǒng)COS。裝有COS的CPU卡相當(dāng)于一臺微型計算機(jī)，不僅具有數(shù)據(jù)存儲功能，同時具有命令處理和數(shù)據(jù)安全保護(hù)等功能。要了解什么是CPU卡，就必須從IC卡說起。

IC卡是集成電路卡的簡稱，是鑲嵌集成電路芯片的塑料卡片，其外形和尺寸都遵循國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO）。芯片一般采用不易揮發(fā)性的存儲器（ROM、EEPROM）、保護(hù)邏輯電路、甚至帶微處理器CPU。帶有CPU的IC卡才是真正的智能卡。按照嵌入集成電路芯片的形式和芯片類型的不同IC卡大致可分為接觸式，非接觸式、雙界面卡。CPU卡既有接觸式也有非接觸式的。非加密存儲器卡：卡內(nèi)的集成電路芯片主要是EEPROM，具有數(shù)據(jù)存儲功能，不具有數(shù)據(jù)處理功能和硬件加密功能。邏輯加密存儲器卡：在非加密存儲器卡的基礎(chǔ)上增加了加密邏輯電路，加密邏輯電路通過校驗密碼方式來保護(hù)卡內(nèi)的數(shù)據(jù)對于外部訪問是否開放，但只是低層次的安全保護(hù)，無法防范惡意性的攻擊。由于沒有掌握關(guān)鍵的生產(chǎn)工藝，原來我國設(shè)計的CPU卡芯片一直在國外生產(chǎn)。這次我國自主設(shè)計、制造的CPU卡容量達(dá)到了128K。CPU卡可適用于金融、保險、交警、政府行業(yè)等多個領(lǐng)域，具有用戶空間大、讀取速度快、支持一卡多用等特點，并已經(jīng)通過中國人民銀行和國家商秘委的認(rèn)證。

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。

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。

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(yīng)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(hù)時間（最少2個etu）。在保護(hù)時間內(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：

① 將卡插入終端接口設(shè)備，使兩者的觸點相接并激活觸點；

② 將卡復(fù)位，建立卡與終端間的通信；

③ 執(zhí)行操作；

④ 釋放觸點，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，各步的時序要求。

（1）觸點激活

時序如圖3所示。

（2）卡復(fù)位

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

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

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

（3）觸點釋放時序

觸點釋放時序過程如圖6所示。

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(dāng)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(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(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(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。

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(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)的長度、復(fù)位響應(yīng)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。