DS8007和智能卡接口基礎(chǔ)

摘要：DS8007是一款低成本的多協(xié)議雙智能卡接口，滿(mǎn)足所有ISO 7816、EMV?和GSM11-11的要求。這個(gè)混合信號(hào)外設(shè)可以管理微控制器和兩個(gè)獨(dú)立智能卡間的所有接口細(xì)節(jié)。本應(yīng)用筆記介紹智能卡以及如何與智能卡通信的一些基礎(chǔ)知識(shí)，還會(huì)提供智能卡通過(guò)DS8007與DS5002安全處理器接口的軟件。

概述

什么是智能卡？智能卡通常定義為包含有嵌入式集成電路的小型卡片。由于有嵌入式的集成電路，智能卡有時(shí)被稱(chēng)為集成電路卡，或者ICC。圖1所示為一個(gè)典型的例子。由于可適用于很多不同的場(chǎng)合，所以這些卡片替代了我們熟悉的支付卡(借記卡或者信用卡)，它們利用磁條來(lái)存儲(chǔ)卡的賬戶(hù)信息。在支付應(yīng)用中，向智能卡的轉(zhuǎn)(遷)移主要是因?yàn)檫@樣可以增加功能，特別是采用這種技術(shù)后可以提高安全性。但是，在評(píng)估最后一項(xiàng)能力時(shí)必須考慮到智能卡更高的成本。


圖1. 智能卡舉例

智能卡中嵌入的集成電路可以是簡(jiǎn)單的、非易失性的存儲(chǔ)設(shè)備，或者是一些如微控制器一樣高級(jí)的電路，可以執(zhí)行復(fù)雜的操作。支付卡中簡(jiǎn)單的非易失性存儲(chǔ)設(shè)備可以取代磁條來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。在很多的類(lèi)似設(shè)備中，存儲(chǔ)體中會(huì)組合一些附加邏輯，用來(lái)限制對(duì)部分或者全部存儲(chǔ)體的讀取。但是，智能卡的真正能力在于嵌入的微控制器具有執(zhí)行數(shù)據(jù)運(yùn)算和/或加密的功能。這個(gè)處理能力可以提高安全性能。然而隨著復(fù)雜度的提高，卡的成本也提高了。嵌入控制器的智能卡成本在$7.00至$15.00 (美元)之間，而使用磁條的支付卡成本可以低至$0.751 (美元)。智能卡更高的成本減緩了從簡(jiǎn)單技術(shù)的全面轉(zhuǎn)移，但是隨著對(duì)安全需求的增加，對(duì)智能卡的需求也會(huì)增加。

DS8007提供了微控制器與兩個(gè)獨(dú)立的智能卡物理連接時(shí)所必須的所有電信號(hào)。器件包含有專(zhuān)用的內(nèi)部時(shí)序電路，用來(lái)控制卡的自動(dòng)激活和關(guān)閉，以及一個(gè)用來(lái)數(shù)據(jù)通信的ISO UART。器件在2.7V至6.0V的電源電壓下都可以工作，通過(guò)電荷泵和電壓調(diào)節(jié)器，還可以輸出兩路獨(dú)立的智能卡供電電壓，每路都可選1.8V，3.0V或5V。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的并行8bit數(shù)據(jù)線(xiàn)可以與微控制器進(jìn)行通信，可以配置為非復(fù)用方式，或者是數(shù)據(jù)和地址復(fù)用。

智能卡詳述

人們所熟知的大部分智能卡的形狀就是信用卡大小的一個(gè)設(shè)備，詞組"智能卡"也可以用來(lái)指用戶(hù)識(shí)別模塊(SIM)，它大概有郵票那么大，經(jīng)常用在蜂窩電話(huà)中。這種SIM的形狀也可以用在支付終端里，為終端提供特定的支付系統(tǒng)數(shù)據(jù)和詳細(xì)的應(yīng)用信息。信用卡大小的設(shè)備(部分)通常由聚氯乙烯(PVC)來(lái)制造，而且一般會(huì)模壓出賬戶(hù)號(hào)碼以及有可能加上一個(gè)有效日期。無(wú)論采用什么形式，所有的機(jī)電結(jié)構(gòu)規(guī)范都基于ISO 7861系列標(biāo)準(zhǔn)。另外，EuroCard?，MasterCard?和Visa? (EMV)公司的一個(gè)聯(lián)盟也已經(jīng)專(zhuān)門(mén)為解決智能卡以及它們?cè)谥Ц断到y(tǒng)中的應(yīng)用開(kāi)發(fā)了一套標(biāo)準(zhǔn)(稱(chēng)作EMV規(guī)范)。EMV規(guī)范通?；贗SO 7816文件。

智能卡觸點(diǎn)

上述的標(biāo)準(zhǔn)中明確的定義了智能卡觸點(diǎn)的數(shù)目、排位和功能。圖2所示為智能卡上集成電路的位置和觸點(diǎn)的尺寸。ISO 7816定義了8個(gè)可能的觸點(diǎn)位置。在這8個(gè)位置中，目前有5個(gè)用在EMV應(yīng)用中。表1所列為這些觸點(diǎn)的名稱(chēng)和功能。ISO 7816定義觸點(diǎn)C6為VPP，但是根據(jù)EMV規(guī)范，目前的卡并沒(méi)有使用這個(gè)編程電壓。觸點(diǎn)C4和C8沒(méi)有使用，而且不需要有物理接頭。下面有EMV規(guī)范定義的每個(gè)觸點(diǎn)的更詳細(xì)的討論。

表1. 智能卡連接

Contact Name	Contact Function
C1	Supply voltage to card (VCC)
C2	Reset (RST)
C3	Clock (CLK)
C4	Provided on the DS8007; not used in EMV
C5	Ground (GND)
C6	VPP; not used in EMV
C7	Input/output (I/O)
C8	Provided on the DS007; not used in EMV

圖2. 接點(diǎn)尺寸和位置

VCC觸點(diǎn)(C1)
這個(gè)觸點(diǎn)為卡片提供電源電壓。最初的規(guī)范中VCC只包括5V DC ±10%。但是，目前在分階段的過(guò)渡到低電壓卡。只能支持最初規(guī)范的卡被稱(chēng)為A類(lèi)卡，在2009年的6月底前它們會(huì)被AB類(lèi)卡或者ABC類(lèi)卡取代。不同類(lèi)型卡的VCC規(guī)范：

A類(lèi)卡： 4.5V ≤ VCC ≤ 5.5V @ ≤ 50mA
AB類(lèi)： 2.70V ≤ VCC ≤ 3.3V @ ≤ 50mA
ABC類(lèi)： 1.62V ≤ VCC ≤ 1.98V @ ≤ 30mA

DS8007卡接口包含有電荷泵和電壓調(diào)節(jié)器，當(dāng)器件工作在2.6V至6.0V的電源電壓時(shí)，它可以為所有三種卡類(lèi)型提供合適的電壓。

I/O觸點(diǎn)(C7)
智能卡上的I/O觸點(diǎn)在接收來(lái)自終端的數(shù)據(jù)時(shí)作為輸入(接收模式)，或者給終端發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)作為輸出(發(fā)送模式)。在接收模式，當(dāng)輸入符合下面的規(guī)范時(shí)卡會(huì)識(shí)別有效的數(shù)據(jù)。

A類(lèi)卡

輸入高電壓： 0.7 × VCC ≤ VIH ≤ VCC
輸入低電壓： 0.0 ≤ VIL ≤ 0.8V
上升時(shí)間/下降時(shí)間： ≤ 1μs

AB或ABC類(lèi)卡

輸入高電壓： 0.7 × VCC ≤ VIH ≤ VCC
≤VCC
輸入低電壓： 0.0 ≤ VIL ≤ 0.2 × VCC
上升時(shí)間/下降時(shí)間： ≤ 1μs

在發(fā)送模式時(shí)，I/O觸點(diǎn)會(huì)提供下面的信號(hào)電平：

A類(lèi)卡

輸出高電壓： 0.7 × VCC ≤ VOH ≤ VCC, -20μA < IOH < 0, VCC = min
輸出低電壓： 0.0 ≤ VOL ≤ 0.4V, 0 < IOL < 1mA, VCC = min
上升時(shí)間/下降時(shí)間： ≤ 1.0μs

AB或ABC類(lèi)卡

輸出高電壓： 0.7 × VCC ≤ VOH ≤ VCC, -20μA < IOH < 0, VCC = min
輸出低電壓： 0.0 ≤ VOL ≤ 0.15 × VCC, 0 < IOL < 1mA, VCC = min
上升時(shí)間/下降時(shí)間： ≤ 1.0μs

EMV規(guī)范要求智能卡的I/O接點(diǎn)驅(qū)動(dòng)器應(yīng)處于接收模式，除非是I/O接點(diǎn)正在發(fā)送數(shù)據(jù)。

時(shí)鐘觸點(diǎn)(C3)
時(shí)鐘觸點(diǎn)是個(gè)輸入端，輸入源為接口終端，比如DS8007。這個(gè)信號(hào)用來(lái)控制交易過(guò)程中的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)鐘。指定的頻率范圍為1.0MHz至5.0MHz。這個(gè)觸點(diǎn)具有以下的電氣規(guī)范：

A類(lèi)卡

輸入高電壓： VCC - 0.7 ≤ VIH ≤ VCC
輸入低電壓： 0.0 ≤ VIL ≤ 0.5V
上升時(shí)間/下降時(shí)間： ≤ 9%的時(shí)鐘周期

AB或ABC類(lèi)卡

輸入高電壓： 0.7 × VCC ≤ VIH ≤ VCC
輸入低電壓： 0.0 ≤ VIL ≤ 0.2 × VCC
上升時(shí)間/下降時(shí)間： ≤ 9%的時(shí)鐘周期

RST觸點(diǎn)(C2)
RST觸點(diǎn)是卡上的輸入端，輸入源為接口終端。這個(gè)信號(hào)低有效，會(huì)引起卡的異步復(fù)位。這個(gè)觸點(diǎn)與CLK觸點(diǎn)有相同的電氣特性，但是它的最大上升和下降時(shí)間是1.0μs。

從上面的規(guī)范可以看到，與智能卡接口的終端必須提供不同的電源電壓和信號(hào)電平。接口規(guī)范也要求終端可以承受卡觸點(diǎn)任意兩點(diǎn)間的短路。鑒于這些原因，與采用大量的分立模擬IC來(lái)構(gòu)建電路相比，采用專(zhuān)用設(shè)備來(lái)提供必要的電源電壓和信號(hào)電平很明顯更有優(yōu)勢(shì)。DS8007就是這樣的一個(gè)專(zhuān)用器件。除了包含有實(shí)現(xiàn)這些功能的模擬電路外，它還包含有FIFO和其它數(shù)控邏輯，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整卡操作所需的狀態(tài)排序和同步。

終端接口要求

卡的操作過(guò)程包含有下面幾步：

1. 將卡插入終端，觸點(diǎn)連接并激活
2. 卡復(fù)位，終端和卡之間建立通信(ATR時(shí)序—如下)
3. 執(zhí)行交易
4. 關(guān)閉觸點(diǎn)，移除卡片

插入卡并完成最初的復(fù)位后，卡會(huì)用一系列的字符響應(yīng)，稱(chēng)為響應(yīng)復(fù)位，或者ATR。這一系列的字符會(huì)建立最初的通信細(xì)節(jié)，包括特定的協(xié)議，位同步以及后續(xù)通信需要的數(shù)據(jù)傳輸細(xì)節(jié)。由于后續(xù)數(shù)據(jù)傳輸可以改變某些通信參數(shù)，所以ATR只建立最初的通信條件。ATR在下面的部分會(huì)詳細(xì)介紹。

每個(gè)字符的含義
信息在智能卡和終端的接口間通過(guò)雙向I/O觸點(diǎn)串行通信。比特的持續(xù)時(shí)間被定義為基本時(shí)間單元，或者ETU。ETU的時(shí)間周期與終端通過(guò)CLK觸點(diǎn)提供的時(shí)鐘信號(hào)有直接的線(xiàn)性關(guān)系。ATR期間字符的比特同步被稱(chēng)為初始ETU。這個(gè)初始ETU由下面的公式定義：

初始ETU = 372/?秒

(公式1)

式中?是以赫茲為單位的時(shí)鐘信號(hào)頻率。

ATR之后，比特持續(xù)時(shí)間被稱(chēng)為當(dāng)前ETU，它是參數(shù)F、D和時(shí)鐘頻率的函數(shù)(參數(shù)F和D在下面的TA1字符部分有更詳細(xì)的討論)

當(dāng)前ETU = F/(D?)秒

(公式2)

式中? 是以赫茲為單位的時(shí)鐘信號(hào)頻率。

任何通信中的每個(gè)字符都由10個(gè)比特組成，所以總的持續(xù)時(shí)間就是10個(gè)ETU。字符的第一個(gè)比特位被稱(chēng)為起始位，它總是低電平。起始位之前，I/O線(xiàn)上會(huì)保持默認(rèn)的高電平。字符的最后一個(gè)比特是奇偶位，它或高或低，由數(shù)據(jù)源確定，所以可以保持字符中1的總數(shù)為偶數(shù)。圖3所示為這個(gè)比特碼型的圖例。


圖3. 10位字符幀

智能卡通信協(xié)議

在ISO 7816規(guī)范中，用四個(gè)比特位來(lái)選擇卡操作時(shí)的通信協(xié)議。目前主要采用16個(gè)可用協(xié)議中的2個(gè)，他們被定義為T(mén)=0和T=1。兩個(gè)協(xié)議都是半雙工的(每次都是單方向)異步通信。T=0協(xié)議是基于字符的格式，T=1則是基于塊的格式。EVM兼容的所有智能卡必須支持T=0或者T=1協(xié)議，而終端必須兩種方式都支持。

卡插入終端后，并且當(dāng)所有觸點(diǎn)保持"低"狀態(tài)時(shí)，電源電壓迅速施加于VCC觸點(diǎn)。當(dāng)終端確定電壓穩(wěn)定而且處于規(guī)定的范圍內(nèi)時(shí)，終端的I/O觸點(diǎn)驅(qū)動(dòng)器被置為接收模式，其時(shí)鐘信號(hào)傳輸至卡的CLK觸點(diǎn)。在時(shí)鐘信號(hào)初始化的200個(gè)周期內(nèi)，終端的I/O線(xiàn)一直處于接收模式，而卡會(huì)將其I/O線(xiàn)置為發(fā)送模式。在40,000至45,000個(gè)時(shí)鐘周期后，終端對(duì)卡的RST觸點(diǎn)釋放一個(gè)高有效信號(hào)。在400至40,000個(gè)時(shí)鐘周期后，卡通過(guò)一系列的字符串來(lái)作出響應(yīng)，稱(chēng)為ATR。ATR包含的信息會(huì)詳細(xì)確定后續(xù)通信如何實(shí)現(xiàn)，包括T=0或T=1協(xié)議的選擇。如果沒(méi)有指定協(xié)議，那么假定為T(mén)=0。(下文會(huì)有ATR和ATR包含信息的完整細(xì)節(jié)。)

響應(yīng)復(fù)位(ATR)

在最初被終端復(fù)位后，EMV智能卡通過(guò)一串被稱(chēng)為響應(yīng)復(fù)位或者ATR的字符來(lái)做出響應(yīng)。這些字符包括一個(gè)初始字符，TS，然后跟隨有最多32個(gè)附加字符。這些字符一起為終端提供如何與卡進(jìn)行后續(xù)工作通信的信息。下面的部分介紹每一個(gè)字符。

EMV規(guī)范為協(xié)議T=0定義的ATR內(nèi)容如表2所示，協(xié)議T=1時(shí)如表3所示。

表2. 基本的EMV ATR (T=0)

Character	Value	Remarks
TS	'3B' or '3F'	Indicates direct (3B) or inverse (3F) convention.
T0	'6x	TB1 and TC1 present, TA1 and TD1 absent; x indicates the number of historical bytes present.
TB1	'00'	VPP is not required.
TC1	'00' to 'FF'	Indicates the amount of extra guard time required. Value 'FF' has a special meaning. (See TC1 description below.)

表3. 基本的EMV ATR (T=1)

Character	Value	Remarks
TS	'3B' or '3F'	Indicates direct (3B) or inverse (3F) convention.
T0	'Ex'	TB1, TC1, and TD1 present, TA1 is absent; x indicates the number of historical bytes present.
TB1	'00'	VPP is not required.
TC1	'00' to 'FF'	Indicates the amount of extra guard time required.
TD1	'81'	TA2, TB2, and TC2 absent; TD2 present; T=1 to be used.
TD2	'31'	TA3 and TB3 present; TC3 and TD3 absent; T=1 to be used.
TA3	'10' to 'FE'	Returns IFSI, which indicates the initial value for the card's information field size and IFSC of 16 bytes to 254 bytes.
TB3	m.s. nibble* '0' to '4'; l.s. nibble '0' to '5'	BWI = 0 to 4 CWI = 0 to 5
TCK	?	Check character. Exclusive ORing of all ATR bytes from T0 to TCK inclusive is null.

*注意：m.s. nibble = 最高有效半字節(jié)；l.s. nibble = 最低有效半字節(jié)

TS初始字符
ATR序列的第一個(gè)字符被定義為初始字符TS。根據(jù)它的比特碼型，這個(gè)字符同步信息定義所有后續(xù)字符的極性。TS的前四個(gè)比特組成如下：低電平的開(kāi)始位，然后是兩個(gè)高電平比特，緊隨其后又是一個(gè)低電平位。這個(gè)固定的比特碼型保證了同步。后續(xù)的三個(gè)比特可以都為高電平代表直接約定，也可以是都為低電平代表反向約定。對(duì)于直接約定，I/O線(xiàn)上的高電平就代表邏輯1，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)首先發(fā)送最低有效位。對(duì)于反向約定，I/O線(xiàn)上的低電平就代表邏輯1，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)首先發(fā)送最高有效位。由于規(guī)范容許反向約定，所以EMV建議所有當(dāng)前的卡設(shè)計(jì)都采用直接約定。最后的三個(gè)比特是兩位高電平、一位低電平。ATR或者任何其它10比特字符幀中的最后一個(gè)比特位都是奇偶位，它會(huì)通過(guò)置高或者置低來(lái)保證幀中1的總數(shù)目為一個(gè)偶數(shù)。

T0格式字符
ATR序列的第二個(gè)字符被定義為格式字符，稱(chēng)為T(mén)0。這個(gè)字符包含有兩個(gè)部分，都用來(lái)確定有哪些字符會(huì)包含在其余的ATR序列中。最高有效的四個(gè)比特位用Y1來(lái)表示，它們代表TA1，TB1，TC1或者TD1是否會(huì)被發(fā)送。對(duì)于Y1的每個(gè)邏輯1，每個(gè)字符的出現(xiàn)由下面的方式確定：

Bit 8 (msb) = 1代表字符TD1會(huì)被發(fā)送
Bit 7 = 1代表字符TC1會(huì)被發(fā)送
Bit 6 = 1代表字符TB1會(huì)被發(fā)送
Bit 5 = 1代表字符TA1會(huì)被發(fā)送

T0的四個(gè)最低有效比特位用K來(lái)表示。這些比特將會(huì)確定包含在其余ATR系列中的"歷史字節(jié)"的數(shù)量，0至15個(gè)。歷史字節(jié)會(huì)傳送一些卡的通用信息，比如卡的制造商，卡中的芯片，芯片中的掩模ROM，或者卡的使用期限等。無(wú)論是ISO 7816還是EMV規(guī)范都沒(méi)有精確定義哪些(如果有)信息應(yīng)該被傳送。

從上面的表2我們可以看到，Y1的b7和b6為高，比特b8和b5為低('6x')。這代表TC1和TB1會(huì)被發(fā)送，而字符TA1和TD1則不發(fā)送(如表中所示)。對(duì)于協(xié)議T=0，字符TB1和TC1完成最基本的ATR序列。在表3中，Y1的比特8也為高，所以對(duì)于協(xié)議T=1來(lái)講，字符TD1也會(huì)被發(fā)送。

TA1字符
無(wú)論是協(xié)議T=0或是T=1，基本的EMV ATR響應(yīng)中都沒(méi)有發(fā)送字符TA1，它在ISO 7816規(guī)范中被定義用作其它通信。在使用時(shí)，TA1會(huì)分為上下兩個(gè)半字節(jié)。上半字節(jié)確定時(shí)鐘速率變換因子F，它用來(lái)調(diào)整時(shí)鐘信號(hào)的頻率。下半字節(jié)確定比特速率調(diào)整因子D，它用來(lái)調(diào)整ATR后續(xù)的比特持續(xù)時(shí)間。上面的公式2中有對(duì)這些參數(shù)的使用。在A(yíng)TR期間初始ETU選用默認(rèn)值，F(xiàn) = 372， D = 1，如果沒(méi)有在基本ATR以外修改，那么在后續(xù)交互中依然使用默認(rèn)值。

TB1字符
TB1字符傳送關(guān)于智能卡編程電壓要求的信息。比特b1至b5 (稱(chēng)為PI1)傳送編程電壓，比特b6和b7 (稱(chēng)為II)傳送智能卡要求的最大編程電流。對(duì)于基本的ATR，TB1 = '00'代表VPP引腳在智能卡上沒(méi)有連接。

TC1字符
TC1字符傳送N的大小，它用來(lái)確定終端向智能卡發(fā)送連續(xù)字符時(shí)要加入的額外保護(hù)時(shí)間。這個(gè)值與卡發(fā)往終端的字符或者有相反發(fā)送方向的兩個(gè)字符都沒(méi)有關(guān)系。N是個(gè)二進(jìn)制數(shù)，它代表著作為額外保護(hù)時(shí)間而附加的ETU。當(dāng)TC1 = 'FF'時(shí)，兩個(gè)字符間應(yīng)該使用最小延時(shí)。對(duì)于協(xié)議T=0，此值為12個(gè)ETU，對(duì)于協(xié)議T=0，此值為11。N的大小可以在0至255間任意取值。如果TC1沒(méi)有在A(yíng)TR中返回，終端會(huì)默認(rèn)接收到00而繼續(xù)工作。因?yàn)檫@個(gè)值可以在字符發(fā)送間增加時(shí)間，所以為了加速交易應(yīng)該減小此值。

TD1字符
TD1字符表明如果要發(fā)送更多的接口字節(jié)時(shí)，將會(huì)采用哪個(gè)協(xié)議。字符TD1是通用字符TDx的一個(gè)特定實(shí)例。TDx的最高有效半字節(jié)代表是否TA(x + 1)， TB(x + 1)，TC(x + 1)或TD(x + 1)要被發(fā)送。對(duì)于每個(gè)邏輯1，后續(xù)發(fā)送的每個(gè)字符是否出現(xiàn)按照下面的原則確定：

Bit 8 (msb) = 1代表字符TD(x + 1)會(huì)被發(fā)送
Bit 7 = 1代表字符TC(x + 1)會(huì)被發(fā)送
Bit 6 = 1代表字符TB(x + 1)會(huì)被發(fā)送
Bit 5 = 1代表字符TA(x + 1)會(huì)被發(fā)送

TD1字符(統(tǒng)一為T(mén)Dx)的最低有效半字節(jié)的值或者是0x0，或者是0x1，分別代表協(xié)議T=0或者T=1。

如果采用協(xié)議T=0，字符TD1不會(huì)包含在A(yíng)TR序列中，后續(xù)傳送會(huì)采用協(xié)議T = 0。如果采用協(xié)議T=1，字符TD1會(huì)包含在內(nèi)，其值為0x81。這個(gè)值代表將會(huì)有TD2，而且所有的后續(xù)傳送會(huì)采用協(xié)議T=1。

TA2字符
由于無(wú)論是協(xié)議T=0或是T=1，TA2字符都不在基本的EMV ATR響應(yīng)中發(fā)送，所以它由ISO 7816規(guī)范定義。TA2的出現(xiàn)與否用來(lái)確定在A(yíng)TR之后，智能卡是工作在特殊模式還是交易模式。沒(méi)有TA2就代表操作將采用交易模式。

TB2字符
由于無(wú)論是協(xié)議T=0或是T=1，TB2字符都不在基本的EMV ATR響應(yīng)中發(fā)送，所以它由ISO 7816規(guī)范定義。字符TB2傳送PI2，它確定智能卡需要的編程電壓值。當(dāng)存在字符TB2時(shí)，字符TB1中的PI1值將會(huì)被取代。

TC2字符
由于無(wú)論是協(xié)議T=0或是T=1，TC2字符都不在基本的EMV ATR響應(yīng)中發(fā)送，所以它由ISO 7816規(guī)范定義。當(dāng)存在TC2時(shí)，它將指定采用協(xié)議類(lèi)型T=0。TC2會(huì)傳送工作等待時(shí)間整數(shù)(WI)，它用來(lái)確定由智能卡發(fā)送的任意字符和由智能卡或者終端發(fā)送的前一個(gè)字符在起始位的上升沿之間的最大間隔。工作等待時(shí)間的數(shù)值按下式計(jì)算：

工作等待時(shí)間 = 960 × D × WI

(公式3)

式中D是比特速率調(diào)整因子(參見(jiàn)上面TA1部分的介紹)。

當(dāng)ATR系列中不含有TC2時(shí)，假定WI = 0x0A為其默認(rèn)值。

TD2字符
TD2字符和TD1字符具有同樣的功能。詳細(xì)情況請(qǐng)看上面的TD1介紹。對(duì)于協(xié)議T=1，表3中出現(xiàn)了TD2，其值為0x31。這個(gè)值代表：將會(huì)有TA3和TB3，沒(méi)有TC3和TD3，而協(xié)議類(lèi)型會(huì)是T=1。

TA3字符
TA3字符為智能卡傳送信息域大小整數(shù)(IFSI)。IFSI為智能卡確定信息域的大小，它是卡能接收的數(shù)據(jù)塊的信息域(INF)部分的最大長(zhǎng)度。域的大小可以是0x01至0xFE間的任意值。值0x0和0xFF保留給將來(lái)使用。在采用T=1協(xié)議的基本ATR中，TA3的數(shù)值范圍是0x10至0xFE，因此代表著IFSC在16至254個(gè)字節(jié)之間。對(duì)于不含TA3的ATR，終端會(huì)假定為默認(rèn)值0x20。

TB3字符
TB3字符代表字符等待時(shí)間整數(shù)(CWI)和塊等待時(shí)間整數(shù)(BWI)的數(shù)值，它們用來(lái)計(jì)算字符等待時(shí)間(CWT)和塊等待時(shí)間(BWT)。TB3的最低有效半字節(jié)(b1至b4)代表CWI的數(shù)值，最高有效半字節(jié)(b5至b8)代表BWI的數(shù)值。在采用T=1協(xié)議的基本ATR中，TB3字符的最低有效半字節(jié)范圍為0至5 (CWI = 0至5)，最高有效半字節(jié)范圍為0至4 (BWI = 0至4)。

TC3字符
由于無(wú)論是協(xié)議T=0或是T=1，TC3字符都不在基本的EMV ATR響應(yīng)中發(fā)送，所以它由ISO 7816規(guī)范定義。當(dāng)存在TC3時(shí)，它代表將要采用的塊錯(cuò)誤檢測(cè)類(lèi)型。當(dāng)沒(méi)有TC3時(shí)，塊錯(cuò)誤檢測(cè)將采用默認(rèn)的縱向冗余校驗(yàn)(LRC)。

TCK字符
TCK字符是校驗(yàn)字符，它的值可以用來(lái)核對(duì)ATR期間發(fā)送數(shù)據(jù)的完整性。只要T0至TCK間包含的所有字節(jié)做異或運(yùn)算結(jié)果為0，TCK可以是任意值。T=0時(shí)不采用TCK，但是在其它所有情況下都會(huì)在A(yíng)TR中返回。

ATR的總結(jié)
終端接收至ATR序列的最后一個(gè)字符，所有必要的參數(shù)都從卡發(fā)送到了終端后，對(duì)DS8007可以進(jìn)行接口參數(shù)的必要調(diào)整。由此可以開(kāi)始后續(xù)通信。

應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元(APDU)

如前所述，卡操作的下一個(gè)階段是交易的執(zhí)行。在交易期間執(zhí)行的特定操作依賴(lài)于卡的類(lèi)型、賬戶(hù)(信用卡、借記卡等)以及用戶(hù)的請(qǐng)求。無(wú)論什么特定的操作，交易都通過(guò)終端對(duì)智能卡發(fā)送命令來(lái)完成。智能卡執(zhí)行被請(qǐng)求的服務(wù)，有可能會(huì)回復(fù)一個(gè)結(jié)果。卡的操作可以簡(jiǎn)單到讀取存儲(chǔ)器中的一個(gè)位置，或者復(fù)雜如執(zhí)行加密工作。無(wú)論什么操作，終端和卡之間的通信通過(guò)應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元，或APDU來(lái)實(shí)現(xiàn)。

執(zhí)行一個(gè)應(yīng)用時(shí)，智能卡和終端必須交互信息。信息的共享通過(guò)命令響應(yīng)數(shù)據(jù)交換來(lái)完成。終端創(chuàng)建并發(fā)送一個(gè)命令給智能卡，然后智能卡會(huì)對(duì)指令譯碼并發(fā)出響應(yīng)。這個(gè)命令響應(yīng)信息對(duì)被稱(chēng)為一個(gè)應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元(APDU)。終端發(fā)送的特定命令信息(C-APDU)會(huì)收到來(lái)自卡的特定響應(yīng)信息(R-APDU)。這些信息都稱(chēng)作為APDU命令響應(yīng)對(duì)。EMV規(guī)范中詳細(xì)介紹了這兩種信息類(lèi)型的格式。它們的格式如下所述。

C-APDU格式
終端發(fā)起所有的命令A(yù)PDU。它們必須包含4字節(jié)的頭，隨后是可選的數(shù)據(jù)部分，其長(zhǎng)度可變。C-APDU中數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)由命令字節(jié)Lc指定，而終端希望從智能卡響應(yīng)中接收的字節(jié)數(shù)由指令Le指定。表4所示為C-APDU的格式，表5為字符描述。

表4. APDU命令結(jié)構(gòu)

CLA	INS	P1	P2	Lc	Data	Le
←Mandatory Header→				←Conditional Body→

表5. APDU命令內(nèi)容說(shuō)明

Code	Description	Length
CLA	Class of instruction	1
INS	Instruction code	1
P1	Instruction parameter 1	1
P2	Instruction parameter 2	1
Lc	Number of bytes present in command date field	0 or 1
Data	String of data bytes sent in command (= Lc)	Variable
Le	Maximum number of data bytes expected in data field of response	0 or 1

命令A(yù)PDU的第一個(gè)字節(jié)被定義為指令類(lèi)別，稱(chēng)為CLA。這個(gè)字節(jié)除了0xFF外可以是任意的8比特值，但是目前只在最高優(yōu)先半字節(jié)使用了0至8。最高優(yōu)先半字節(jié)為0時(shí)定義為行業(yè)間的命令，為8時(shí)定義為EMV規(guī)范專(zhuān)用。

命令A(yù)PDU的第二個(gè)字節(jié)是指令代碼，稱(chēng)為INS。這個(gè)字節(jié)只有在最低有效位為0，并且最高有效半字節(jié)不是6或者9的情況下才有效。

必須的頭部分中，P1和P2包含有特定命令的參數(shù)，可以是任意值。如果沒(méi)有使用，參數(shù)字節(jié)必須取值0x00。

R-APDU
智能卡接收并譯碼來(lái)自終端的APDU命令后會(huì)返回響應(yīng)。如同規(guī)范中定義的一樣，響應(yīng)由長(zhǎng)度可變的可選數(shù)據(jù)部分，跟隨一個(gè)必須的兩字節(jié)報(bào)尾組成。表6所示為其格式，表7所示為APDU響應(yīng)的內(nèi)容。

表6. APDU卡響應(yīng)格式

Data	SW1	SW2
←Body→	←Trailer→

表7. APDU命令響應(yīng)內(nèi)容

Code	Description	Length
Data	String of data bytes received in APDU response	Var (= Lr)
SW1	Command processing status	1
SW2	Command processing qualifier	1

智能卡響應(yīng)的預(yù)期長(zhǎng)度通過(guò)APDU命令的Le代碼部分發(fā)送，響應(yīng)的實(shí)際長(zhǎng)度被稱(chēng)為L(zhǎng)r。雖然卡并不發(fā)送Lr的值，如果應(yīng)用需要的話(huà)終端可以計(jì)算此值。

對(duì)于正常的命令結(jié)束，智能卡會(huì)在SW1中返回0x90，在SW2中返回0x00。其它任何響應(yīng)都代表有錯(cuò)誤或者告警發(fā)生2。

范例代碼

本應(yīng)用筆記提供的軟件包含在可下載文件an4029_sw.zip中。這個(gè)文件包括用來(lái)生成可執(zhí)行十六進(jìn)制文件(ds8007.hex)所需的所有的C(main.c，ds8007.c，LCD_Funct.c)和匯編語(yǔ)言(Startup.a51)源代碼。代碼通過(guò)Keil PK51專(zhuān)業(yè)開(kāi)發(fā)套件和μVision?集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)編譯和鏈接。μVision項(xiàng)目文件(ds8007.Uv2)也包括在.zip文件中。Maxim提供可裝載并運(yùn)行在DS8007智能卡接口板上的.HEX文件，接口板包含在DS8007評(píng)估(EV)套件中。范例軟件實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完整的智能卡工作過(guò)程，包括上電、ATR，APDU以及斷電操作。當(dāng)連接至一個(gè)啞終端時(shí)，電路板通過(guò)軟件會(huì)產(chǎn)生一個(gè)38,400波特率的RS-232串口輸出，這個(gè)輸出如下面的圖4所示。關(guān)于該軟件的詳細(xì)說(shuō)明已經(jīng)超出本應(yīng)用筆記的范圍，但我們提供的源代碼可以作為一套完整的智能卡接口的基礎(chǔ)，該接口基于DS5002安全處理器和DS8007多協(xié)議雙智能卡接口芯片。


圖4. 軟件輸出

我們采用Advanced Card Systems (ACS)公司的基于微控制器的智能卡來(lái)測(cè)試這個(gè)范例軟件。作為基于微控制器的設(shè)備，這張卡會(huì)執(zhí)行稱(chēng)為ACS智能卡操作系統(tǒng)版本1，或者ACOS1的嵌入式操作系統(tǒng)中的功能。這張卡具有以下的特性：

• 8kB的EEPROM存儲(chǔ)區(qū)，用于應(yīng)用數(shù)據(jù)
• 兼容ISO 7816-3，T=0協(xié)議
• DES和MAC的能力
• 會(huì)話(huà)密鑰基于隨機(jī)數(shù)
• PIN可由持卡人更改
• 用于相互認(rèn)證的密鑰對(duì)

ACOS1的文檔表明這張卡會(huì)用19個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)來(lái)響應(yīng)復(fù)位。從圖4可以看到，對(duì)T0的返回值是0xBE。高半字節(jié)0xB代表ATR中除了TS還會(huì)包含TA1，TB1和TD1。低半字節(jié)0xE代表ATR響應(yīng)中將會(huì)有14個(gè)歷史字節(jié)(參閱上面的字符T0描述)。因此，來(lái)自卡的ATR中一共包含有19個(gè)字節(jié)。

對(duì)于這個(gè)有一個(gè)APDU的范例軟件，執(zhí)行開(kāi)始會(huì)話(huà)命令。這個(gè)命令具有如下的格式：

CLA	INS	P1	P2	P3
0x80	0x84	0x00	0x00	0x08

對(duì)開(kāi)始會(huì)話(huà)命令的響應(yīng)具有如下的格式；

Data	SW1	SW2
RNDc (8 bytes from card)	Status	Status

圖4所示的軟件輸出表明來(lái)自卡的返回隨機(jī)數(shù)是0xCB，0xC4，0xBD，0xD5，0xA4，0x7E，0x36和0x3F。它還表明返回狀態(tài)為0x90，0x00，這表明成功完成了命令。

結(jié)論

DS8007是個(gè)混合信號(hào)外設(shè)，它減輕了微控制器和智能卡間接口的難度，提供了與兩個(gè)獨(dú)立的智能卡物理連接時(shí)所必須的所有電信號(hào)。專(zhuān)用的內(nèi)部時(shí)序電路用來(lái)控制卡的自動(dòng)激活和關(guān)閉，還有一個(gè)用來(lái)數(shù)據(jù)通信的ISO UART。DS8007在2.7V至6.0V的電源電壓下都可以工作，通過(guò)電荷泵和電壓調(diào)節(jié)器，還可以同時(shí)輸出兩路獨(dú)立的智能卡供電電壓，每路都可選1.8V，3.0V或5V。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的并行8比特?cái)?shù)據(jù)線(xiàn)可以與微控制器進(jìn)行通信，可以配置為非復(fù)用方式，或者是數(shù)據(jù)和地址復(fù)用方式。通過(guò)DS5002安全微處理器，并利用DS8007作為其智能卡接口，我們提供的軟件實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完整的智能卡會(huì)話(huà)。智能卡在其ATR中返回的字符以38400的波特率在板子的串口上輸出，并且卡會(huì)發(fā)送"Start Session"命令A(yù)PDU。結(jié)果隨機(jī)數(shù)也會(huì)在串口上輸出。

1java.sun.com/products/javacard/smartcards.html。來(lái)源：Gartner Group
2EMV規(guī)范的Book-1 Part II Section 6有對(duì)命令A(yù)PDU響應(yīng)錯(cuò)誤或者警告狀態(tài)代碼的詳細(xì)介紹。

本文的一個(gè)中文版發(fā)表在EDN China的2007年9月刊當(dāng)中。