1、IC卡与RFID技术与应用3解析智能卡技术一IC卡一智能卡发展简介20世纪70年代，微电子技术的发展使得在只有数平方毫米的硅芯片上有可能把数据存储和算术逻辑部件都集成在内。早在 1968年德国发明家Jurgen Dethloff和Helmut Grotrupp在一项有关应用领域的专利中就有了把集成电路结合到识别卡中去的概念智能化 IC卡的概念最初由法国的新闻工作者Rola nd More no在1972年首先提出（1974年注册专利）。法国布尔（Bull）公司率先投人了对这一潜力无 穷的高新技术产品的研究与开发。 1976年，布尔公司高级研究员于贡 （Ugon）先生所领导的研究小组首先研制了世
2、界上第一张由双晶片 （微处理器和存储器）组成的智能卡，接着又于 1978年制成了单晶片智能卡，取得了技术专利。在此后的十几年间，除法国的布尔公司之外， 世界上先后有 Motorola , Thomson，Hitachi，Oki，Toshiba，Sharp，Atmel等十几家公司相继投入了智能卡芯片和卡片成品的开发与生产， 形成了一个世界性的新兴技术产业。 于贡先生由于其重要成就， 于1992年被选为世界智能卡先生。1987年起国际标准化组织ISO专门为IC卡制订了国际标准，ISO/IEC 7816系列。这些标准为IC卡在全 世界范围内的推广和应用， 创造了规范化的前提和条件。IC卡具有突出的3
3、S特点，即Standard（国际标准化卜Smart（灵巧智能化）和Security（安全性）。第三章 接触式IC卡国际标准（一）识别卡一一接触式集成电路卡国际标准为 ISO/ IEC 7816ISO 国际标准化组织 IEC 国际电子委员会 包括10个部分第1部分：ISO 7816 1,物理特性。 第2部分：ISO 7816 2，触点尺寸和位置。第3部分：ISO/ IEC 7816 3，电信号和传输协议。 第4部分：ISO/ IEC 7816 4，行业间交换用命令。第5部分：ISO/ IEC 7816 5,应用标识符的编号系统和注册过程。第6部分：ISO/ IEC 7816-6行业间交换用命令。
4、第7部分：ISO/ IEC7816-7关于结构化卡询问语言行业间命令。第8部分：ISO/ IEC 7816-8与安全有关的行业间命令。第9部分：ISO/ IEC 7816-9附加的行业间命令和复位应答。第10部分：ISO/ IEC 7816-10用于同步卡的电信号和复位应答。第一节 ISO 7816-1 标准内容接触式集成电路卡的物理特性本标准制定的物理特性适合于 ID 1型的识别卡，其尺寸为 85.6mnK 53.98mnK 0.76mmISO 7810中为各种识别卡定义的物理特性 ISO 7813中对金融交易卡定义的阻燃性和外形尺寸附加特性：1防护紫外线的能力；环境（取决于卡自动售货机）2
5、X光照射的剂量，两倍于每年人体可接受的辐射剂量3触点的表面轮廓；卡和触点的机械强度；触点电阻；磁条与集成电路之间的电磁干扰；同磁条无冲突指定强度磁场的影响；少于 1,000 Oe 静电影响；热耗； 小于2.5瓦，卡温度小于 50度待性FVCPGPET主婆应用怕用卡移罰Mi姑卡41昨斥主要特点便宜福橈暹的用歼保良好C册弋中等A中等机械穂定性血好良好良好凸印加工差印刷良呼中等中等片） 濒比割蚀良好良如可吐塗良軒良奸釣2年均3年釣5年占世界卡生产的阳囑8%5%2%2.5相对曲*127环幄力回税宓剂世含壓金肩燃 烧再齟禅收二辄莒原材料苹盘皱癌物燃 烧町罪释换氢辄酸烧不会降放有書巒蜃皐赫保的整料鑑蜒不
6、負释啟有善善極特硃性翦不誓附仝共印象第二节 ISO 7816-2 接触式IC卡的触点尺寸和位置规定ID-1型IC卡各触点的尺寸、位置和功能。 最小面积：2.0mm x 1.7mm （内切矩形）；触点间应互相隔离， 相邻两个触点最大间距 0.84mm ,形状和最大尺寸未定。 8个触点（C1-C8），正面和反面皆可。所占面积不小于 9.62mm x 9.32mm（矩形面积）绝大多数智能卡在其正面有 8个触点电极区，形成了终端设备与卡内的微控制器之间的电气接口。 所有电气信号都经这些接触电极传送。根据 ISO/ IEC 7816-2。8个触点区中有两个是留着来定义未来功能的，为了兼容性的缘故，它们还
7、没有被使用。这两个触点中的一个被计划用做第 2个I/O接口，以便智能卡有时能够支持全双工数据传输。 由于这两个触点电极区目前还没有被使用， 近期的一些智能卡模块只用6个触点电极，以稍微减少一点生产成本，它们的功能与 8个触点电极的功能是相同的。关于IC卡触点尺寸和位置的变形用法1 小片形 主要是用于内置式IC卡的应用如手机 SIM卡。2.小插片电极形3.这种用法主要是用于一些专用设备比较典型的实例为 IC卡计费电度表、IC卡计费煤气表等。第三节 ISO 7816-3接触式集成电路卡的电信号和传输协议ISO/IEC 7816-3/10规定了 ：电源及信号的结构 ，IC卡和IFD之间的信息交换。两
8、种传输协议： IC卡支持的传输协议同步传输协议(ISO/IEC 7816-10 ) 适用于逻辑加密卡。异步传输协议(ISO/IEC 7816-3 ) 适用于内含微处理器的智能卡。信号频率；电压电平、电流值；奇偶校验协定；操作过程；传送机制以及接口设备与 IC卡之间的通信协定等。3.3.1 IC卡支持的操作条件A类：VCC上的电压为5V，与A类接口设备或 AB类接口设备配合工作。B类：VCC上的电压为3V，与B类接口设备或 AB类接口设备配合工作。IC卡操作类别的选择1、 接口设备首先向卡提供 B类操作条件。在 A类操作条件下，B类卡不提供复位应答 ATR(Answer ToReset)；2、
9、假如卡不提供 ATR，接口设备将使卡处于静止状态，至少延迟 10ms以后，接口设备提供下一个可用类别的操作条件(如果接口设备还可提供其他操作类别 )；3、 如果卡提供ATR，但不附带有类别标志， 那么当卡可用时，接口设备将提供或维持于 A类操作条件，否则置卡于静止(非激活deactive )状态；4、 如果卡提供ATR和类别标志，而且接口设备可以提供卡所支持的操作条件类别， 操作可以继续进行。 接口设备(IFD )选择操作条件的类别COUT :输出电容。IIL :低电平输入电流。 IOL :低电平输出电流IPP: VPP端编程电流。3.3.2触点电压和电流值一电特性VCC:(C1)电源电压RS
10、T:(C2)接口设备复位；内部复位;CLK:(C3)时钟；GND:(C5)地VPP:(C6)编程电压；I/O:(C7)数据输入输出；触点电特性相关符号的意义VIH :高电平输入电压。 VIL :低电平输入电压。输入 输出IFD IC触点电特性相关符号的意义tR :信号幅度10% 90%之间的上升时间。 tF:信号幅度90%10%之间的下降时间。ClN :输入电容。IIH :高电平输入电流 IOH:高电平输出电流。ICC : VCC端电源电流。测量规定1、所有测量是相对 GND（地）定义的；2、测量的环境温度在 OoC50oC的范围内；3、流入卡中的电流被定义为正电流； 4、不工作状态一一当触点
11、相对于 GND的电压保持在0V-0.4V之间，且流向接口设备的电流小于 lmAVcc端（C1） 电源电压输入端本触点用于向IC卡内部集成电路提供电源电压 Vcc。（由卡选用）（A 类卡） +4.5V Vcc 5.5V（B 类卡） +2.7V Vcc 3.3VRST端（C2端）一一复位信号端本触点用于IC卡集成电路复位输入，也称总清信号端；允许两种复位方式：1、由接口设备（IFD）提供复位信号给 RST触点；2、由IC卡内部附加的复位控制电路在加电时产生内 部复位信号（必须提供电源电压到 Vcc端）。 （IFD向IC卡发送信号以初始化指令复位序列）正常操作状态下的 RST电特性符 号 蕪榷at*
12、 X单 也1V%-20+ 150PAW厂0r)J2XVjVVk%-200+20hAC|n = 30pF1RST 电压保持在一0.3V-VDC+0J3VfiVpp端（C6端） 编程电压输入端在A类操作条件下卡内非易失性存储器 EEPROM编程或擦除时可以从 VPP端提供电源。空闲状态：除编程和擦除外，均处于空闲状态。 激活状态：编程和擦除时所处状态。VPP为程序设计电源连接，提供各自电源（区别于操作电源） 。一般IC卡不从VPP取得电压，而由卡内升压电路提供编程和擦除所需的电压。 在B类操作条件下，Vpp触点保留将来使用。正常操作状态下的 Vpp的电特性fl 号亲件債大憤【PF |空用狀矗 .1
13、Q. ?5XVcrl.OSXVcr20VmA0b 375XP A1.0S5XP1 1V mA卡制播口设备提供P和1慣（歐认值:P=5.I=50）3.3.3 IC卡的操作过程按照支付系统集成电路卡规范 （简称为EMV规范）的规定来叙述。该规范是由万事达卡、威士卡和欧陆卡几家在世界上支付卡的经营中占垄断地位的发卡公司，按照 ISO 7816等标准制定的。我国金卡工程中IC卡支付系统必须和国际上最流行的 IC卡支付系统能通用和相容。 对于其它应用的IC卡，只要它符合IS0-7816的规定，其用卡过程也大体相同。正常操作过程：这里所说的正常操作过程，是指 IC卡插入IFD设备，完成信息交换，所插入的终
14、端设备（IFD）将其触点断电后，持卡人才拨出 IC卡而结束的用卡过程。这种过程可划分为如下几个阶段：第一步：把IC卡插入IFD并接通各触点。IC卡插入前，IFD的各个触点没有加电，所以，IC卡插入时 插卡上的IC卡的引脚仅仅是和各触点相接触而已，之后触点才加上电源，则称之为接通了各个触点。第二步：使IC卡复位并在终端和IC卡间建立通讯。 复位、 卡应答（ATR ）。第三步：执行交易。（信息交换）第四步：释放触点并取出IC卡。所谓释放触点，即是接口设备将其各触点去电，持卡人可拔出 IC卡而结束用卡过程。第一步触点接通序列（激活电路）IC卡插入IFD时，终端必须确保所有信号触点都处于状态 L ,即
15、 规定的VoL值（为0 - 0.4V）,而Vcc在任何触点接触之前是 0.4V或0.4V以下。当IC卡按插入的方向置入时，IFD应能检测它是否定位在标称的正确位置，即 IFD触点的中心恰好和IC触点的中心相重合的位置，允许误差为土 0.5mm。当IFD检测到IC卡是处在这个范围内时，且所有的触点都已接触上，则所有的触点的电特性和电信号如下：1终端在整个接通过程始终保持 RST为状态L（00.4V）;在I/O或CLK接通之前，必须首先使 Vcc加电：随着终端证实 VCC已稳定并处在5v （状态H）的范围内时，I/O置为接收方式；提供一个规定的稳定而适用的时钟 CLK; 触点接通序列示意I/O可在
16、加时钟CLK之前置为 接收方式，也可在不迟于施加 200时钟周期的期限内置为接 收方式。终端将其I/O置为接 收方式后，I/O的状态就取决 于IC卡的I/O驱动器的状态。第二步IC卡的复位IC卡的复位有冷复位和热复位两种：冷复位：当IC卡的电源电压和其他信号从静止状态按一定顺序加上时，称之为冷复位（也即是随着触 点接通序列的完成，由终端所启动的复位） ，IC卡发回应答信号（低电平有效的异步信号） 。冷复位序列从Ta时刻起，终端施加 CLK ；Ta这后最多200个时钟周期内，IC卡必须将其I/O线驱动器置为接收方式；（由于终端也必须在这段期限内置其 I/O线驱动器为接收方式，所以 I/O线在Ta
17、后不超过200个时钟周期的时间内，将确保处于状态 H（Vcc）。为此，终端的I/O触点应经过一个上拉电阻接到 Vcc）Ta时刻开始，终端必须维持 RST处于状态L至少400周期。Tb时刻，终端置RST为状态H;Tb后的400至40,000个时钟周期间，IC卡在I/0线上必须开始复位应答. 如果IC卡未在这段时间内进行复位应答，则终端必须启动一个触点释放序列。IC卡对终端的复位应答有着规定的规格和内容，如果终端收到的复位应答不符合规定要求时，终端将 再次启动一个对IC卡的夏位信号，这一次的复位就称为热复位IC卡的热复位热复位：在电源电压VCC和时钟CLK处于激活状态下，接口设备发出的复位（Res
18、et）,称之为热复位（冷 复位失败，未达到预期结果，终端将启动热复位） ，IC卡发回应答信号（和冷复位相同）。vcc II 十热复位序列热复位从时刻Tc开始，此时终端置 RST为状态L;在整个热复位过程中，终端应保持 Vcc和CLK稳定；在Tc之后最多200周期内，IC卡和终端都必须置I/O为接收方式，即I/O保持为H;Td时刻，终端置RST为状态H ；Td时刻后的400至40,000个时钟周期内，IC卡必须在I/0线上开始复位应答； 如果IC卡未在这段时间内进行复位应答，则终端必须启动一个触点释放序列。第三步：执行交易（信息交换）后续介绍第四步：释放触点并取出 IC卡作为用卡过程的最后一个步
19、骤，不论交易是正常或异常结束 （包括用卡过程中从IFD取回IC卡），终端必须按以下步骤释放触点终端以置RST为状态L来开始触点释放序列；其次，终端把 CLK和I /0也置为状态L;最后，在实际断开触点之前， 终端必须先将 Vcc去电，Vcc在IFD触点实际断开之前必须为 0.4v 或更低些；OX电路的释放操作应在卡的触点与 接口设备触点机械断开之前结束。交易过程的非正常结束如果在执行一项交易的过程中， 过早地把IC卡从终端以高达1M/S的速度取出时，终端必须能够觉察出IC卡的运动，并按照上述触点释放序列，在 IC卡拔出1mm之前释放所有的触点。在这种情况下不得对IC卡产生任何电气的或机械的损伤
20、。第五节IC卡的工作流程根据ISO/IEC 7816-3:IC 卡异步传输协议（T=0和T=1）和ISO/IEC 7816-4可得出IC卡的工作流程。 其中T=0为异步半双工字符传输协议； T=1为异步半双工分组传输协议；具体采用哪种传输协议是在 IC卡加电后由IC卡通知接口设备（IFD）来具体实现的。IC卡的工作流程1、 从IC卡插入接口设备（IFD）开始工作，首先由接口设备向卡发 Reset信号2、 然后由卡向设备发应答，称为复位应答 （ATR）信号：说明卡所使用的传输协议 （T=0, T=1或其他）和 一些工作参数：初始字符（ TS）;格式字符（T0）;接口字符（TAi,TBi,TCi,
21、TDi）;历史字符（T1,T2TK） 以及校验字符（TCK）等。3、 在复位应答后，首先由接口设备发命令，在 7816 3协议中规定命令头由 CLA、INS、P1、P2和P3五个字节组成。当 CLA=FF时，可重新选择协议类型，在其后接口设备所发的命令均按新协议处理；当CLA丰FF时，由INS字节给出指令（如读指令、写指令、）。另外在78164中规定命令头CLA、 INS、P1和P2 4个字节是必须有的，而 P3则由一个数据体构成，某些命令不存在数据体。4、 卡接收命令后，发应答信号，命令和应答总是成对出现的，称为 命令应答对”也可理解为 主-从” 工作方式。第六节异步传输的复位应答 （3.3
22、.4异步传输的复位应答）IC卡被终端复位后，用一串称之为复位应答 （ATRAnswer To Reset）的字节应答。这些字节传达给终端（IFD）的信息规定了 IC卡和终端（IFD）之间要建立的通讯的某种特性。字符帧的构成r ; （n+ 0. 2）etu n复位应答信号以字符为单位（字符帧）进行传送。每个字符由10位组成：起始位（1位）；数据位（8位）；偶校验位（1位）。起始位（开始位）-对每个字节的传输必须提供同步位，所以在字节头要加开始位， 以便向终端指示传输序列的开始。保护时间（停止位）-向终端指示传输序列的结束。便于接收和发射双方去准备下一字节的传输。奇偶位-差错检测，采用偶校验数据位
23、（8位）规定一个字符的最高位为 b8位，最低位为b1位，其代码以16进制数表示，如“ 3F”每一位在I/O线的持续时间为 1 etu （基本时间单元，Eleme ntal Time Un it）。数位（bit）宽度I /0线上所用的数位宽度被确定为基本时间单位 （etu），它和时钟频率间存在着线性关系。复位应答时的数位宽度称为初始 etu,并由下式算出：在 9600b/s 时，相应于 3.5712MHz时钟和分频值372字符帧的出错处理当奇偶校验不正确时，从起始位下降沿之后的 10.5etu开始，收方(IFD)发送状态A作为出错信号，该信号宽度为1个etu或2个etu。发方(ICC)检验I/O
24、是在起始位下降沿之后的 lletu处，如I/O处于状态Z,则认为接收是正确的；女口I /O处于状态A，则认为有错，收方(IFD)期望发方(ICC)重发有错的字符。字符帧的错误检测和校正是强制性的；如果发送方 (ICC)检测到一个错误，则在检测到此错误之后至少延迟2etu,它必须重发此有争议的字符。复位应答信息的内容一一 ATRIC卡产生的复位应答信息： 初始字符TS、格式字符TO、接口字符TAi、TBi、TCi、TDi(i = 1 ,2,),历史字符T1、T2TK(最多15个字符)以及校验字符TCK。其中TS和TO是一定有的，接口字符和校 验字符是可选择的。在 TS之后发送的字符数不超过 32
25、个。ATR最多为33个字节IC卡的复位应答的一般构成格式字符 TO字符的高半字节有效位（b5b6b7b8）命名为Y1，当相应位为1时，分别表示后续接口字符 TA1TB1TC仃D1 存在；字符的低半字节有效位 b4到bl命名为K，用它指出历史字符的个数 0 15；IC卡复位应答（ATR）中TO的组成b5= I -发送 TAj b/h发送他 b产 1, MTC,K 历史?0（0-15）接口字符 TAi、TBi、TCi、TDib7-bi1 bj*T +AYWI-一接口字符存在的摘示符 发送 TAi+1 瓦冃,发送TH+i崔:送 TCl+1 ba=U 崖送 TOi + l r 后绒发送的协殺形式TAi
26、 TBi TCi 指示协议参数 TDi协议类型和是否存在后续接口字符IC卡复位应答（ATR）接口字符TDi的组成接口字符Tdi中T的意义T=0异步半双工字符传输协议。 T=1异步半双工分组传输协议。 T = 2和T= 3保留，用于今后的全双工传输协议。T=4 增强型异步半双工字符传输协议。 T=5到T=13 保留，今后使用。T=14 用于ISO非标准协议。T=15不属于传输协议，仅表示全局接口字节。校验字符 TCKTCK-使复位应答中所传送的数据的完整性得以校验。 TCK的值应这样选择：使 TO到TCK的所有字符的异或操作结果为零。如仅用 T=0协议，将不发送 TCK，在所有其他情况下，都发送
27、 TCK。历史字符 T1.T2.TK给出一般的信息，如：卡的制造者，卡中所用芯片型号，芯片中的掩膜 ROM，卡的寿命说明等由T0的低四位组K来指明历史字符的个数，为 T1、T2，TK , K2）给出。（当TDi-1指出T=15后）全局接口字节 TA2IC卡复位应答后，由 TA2具体确定处于哪种操作模式：TA2 :存在时是专用模式，确定传输协议和工作时钟周期。 （b4b1位指出要使用的协议，b5确定F值和D值）TA2 :不存在时是协商模式，复位应答后无 PPS请求，则F和D使用默认值，若复位应答后有 PPS请求，则由IFD发送带有F和D的PPS请求，使卡从协商模式转到专用模式，并使用该 F和D。
28、3.3.5协议和参数选择 PPS在IC卡复位应答之后，如果处于协商模式，则允许接口设备 （IFD）向IC卡发送PPS （protocol andparameters selection）请求。且只有接口设备 （IFD）允许发出 PPS请求；其过程如下：接口设备（IFD）发送PPS的过程1、接口设备（IFD）向IC卡发送PPS请求。2、若IC卡收到正确的PPS请求，则发出PPS确认信号来应 答，否则将超出初始等待时间。 3、若成功地交换PPS请求和PPS应答，这就选择好了新的协议类型和（或）传送参数，然后按规定将数据从接口设备 （IFD）送到IC卡中。4、若IC卡收到错误的PPS请求，则不发回P
29、PS应答信号。5、若初始等待时间超时，接口设备 （IFD）将IC卡复位或予以拒绝。6、若接口设备（IFD）收到错误的PPS应答信号，将IC卡复位或予以拒绝PPS请求和PPS应答信号的组成。初始字符 PPSS（代码为FF）。格式字符 PPS0； PPS0的作用与 TD相似，其中b5,b6,b7分另U表示 PPSI、PPS2和PPS3是否存在。 b1一 b4选择协议类型，b8留作今后使用。任选字符 PPSI、PPS2、PPS3; PPS1给出F和D的参数值。PPS2给出N值，PPS3待定。最后一个校验字符 PCK; PCK的值是使从PPSS到PCK的所有字符的异或结果为零的值。 如果PPS应答=PPS请求，则为成功的 PP
