Smart Cards的介绍

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Smart Cards的介绍

 

智能卡(SmartCard)，也叫IC卡，它是一个带有微处理器和存储器等微型集成电路芯片的、具有标准规格的卡片。智能卡必须遵循一套标准，ISO7816是其中最重要的一个。

下面将从以下几个方面展开，对Smart Card进行讨论：

1.         电气特性

2.         复位应答（ATR – Answer to Reset）

3.         T=0 传输协议

 

电气特性：

       ISO7816非常严格地要求了卡片的外形、厚度、触点位置和电信号。下图可以看到正常Smart Card的管脚分布：

图1 管脚分布

l         C1          电源信号VCC      3/5 V

l         C2         复位信号RST

l         C3          始终信号CLK       采用27MHz的分频 – 3.375/4.5/6.75MHz

l         C4          预留                     某些CA厂商会加以利用，如NDS

l         C5          接地信号GND

l         C6          编程电压VPP       一些存储芯片需要高电压（12.5/21V）进行编程

l         C7          数据通信I/O        

l         C8          预留

 

对于供电又分两种，一种是5V供电，两外一种是3V供电。目前，市面上见得多还是5V，左右偏差在0.25V以内，也就是说压值范围为4.75~5.25V，另外它的电流为200mA。

       Smart Card工作的时钟信号由外部供给，一般来说有两个，3.579545MHz和4.9152MHz。相比之下，前者用得更多一点。当然对于这两种时钟频率，要得到数据通信所需的波特率9600s/s，那么他们的分频系数自然也不一样，分为为372分频和512分频。

       复位信号是如何产生的呢？管脚必须满足5个条件，1）RST管脚拉低；2）CLK管脚拉低；3）VPP管脚不供电；4）I/O管脚拉低；5）VCC管脚不供电。

 

字符传输：

       Smart Card的字符传输采用的是异步半双工模式，这种异步的模式很像个人电脑上的RS232通信。传输一个字符时，除了8Bits的数据外，还加了以下几个Bits：

       起始位           -- 用于字符帧的同步

       校验位           -- 用于校验检测

       Guard Time    -- 两个字符间的间隔时间

下图为一个字符帧的格式：

图2 字符帧格式

Guard Time一般为两个bit的时钟周期，这一点很像PC上的UART的通信，用两个停止位来间隔相连的字符。

复位应答（ATR）：

当RST信号被触发，即将RST管脚被拉低400~4000个时钟周期，Smart Card检测到这个信号后，将会回传“复位应答”ATR信号出来，ATR最多包含33个字节，有以下几个段：

l         初始化字符（TS）

l         格式化字符（TO）

l         接口字符（TAi, TBi, TCi, TDi） (i=0/1)

l         历史字符（T1, T2, T3 … TK）

l         校验字符（TCK）

它们包含哪些意思呢？请看下面的解析：

首先，TS初始化字符展示了电平的逻辑，反向约定（Inverse Convention即负逻辑）和正向约定（Direct Convention即正逻辑）。那么一般来说，回传TS有两个可能的HEX值0x3F和0x3B，0x3F代表反向约定，0x3B代表正向约定。

格式化字符TO段分为两个部分，Bit Map和No of History Bytes，各占4个bits。

接口字符的TAi定义了串口传输中最基本的特性，其中包含两个4-Bits的DI和FI，当中的FI时钟频率的转换因子，DI则是定义了比特率的调节因子。通过这两个因子，我们可以通过以下的公式验算出Work ETU的大小：

Work ETU = 1/D*F/f sec      （f为工作的时钟频率）

正常来说，一个ETU（Elementary Time Unit），一个bit的时间周期。因此我们计算得出，传输一个字符帧为12个ETU=1 START + 8 DATA + 1 PARITY + 2 GUARDTIME。

接下来，便会有个问题了，字符通信是需要D和F这个两个调节因子，保证其工作时序，而这两个因子又是Smart Card复位后，由通过字符传输回传的ATR获得的，那么谁来保证ATR传输的时序呢？原因是这样的，Card复位时，会有D和F的两个初始值，分别D=1，F=372。而且，复位时时钟频率f会在1~5MHz范围之内，比较常见的是3.579545MHz。

我们可以计算得出Default ETU = 1/1*372/3579545 sec；

Baud Rate = 1/Default ETU = 9600s/s；

TC提供的Guard Time也是如此，Default值为2个bit的时钟周期。

TD则是要说明的是传输协议的类型，标准里罗列了16种，但是常用也就是两种T0和T1，即异步半双工字节传输和异步半双工块传输。

因此，我们知道多数Smart Card复位时，是工作在3.579545MHz和9600s/s上的，一旦复位后，就根据ATR的值重新进行配置工作时钟频率、波特率和Guard Time。使其能更高效的通信。

图3 接口字符示意图

 

T=0 传输协议：

       下面两张图来说明T=0传输协议的细节，

 

       从上图，我们不难看出，IFD和Smart Card之间存在主从设备关系。在通信之前，我们知道ATR中协议是多于一个，因此接口设备会发一个PTS信号，以便确认通信协议的类型。

CLA       - 指令集 (FF 是预留给 PTS)

INS        - 指令码 (例如，读内存)

P1          - 指令跟的参数1 (例如，内存地址)

P2          - 指令参数2

P3          - 数据长度

另外，再说说Smart Card的两个状态字SW1和SW2。它们是用来通知上位设备目前Smart Card的工作状态，如果工作正常，则返回值如下所示：

SW1，SW2 = 0x90， 0x00

如果工作异常了，也能通过这两个状态字获得一些信息，如：

SW1= 6E              - Card 不支持该款指令集

       = 6D       - 无效的指令码

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