一、IC簡介
隨著超大規(guī)模集成電路VLSI的發(fā)展,把集成電路IC嵌人類似于信用卡的卡片內(nèi),稱為IC卡;進而把單片機也嵌入其內(nèi),則稱為智能卡、聰明卡或智慧卡(Smard Card)。故IC卡也可稱為卡式單片機。
IC卡根據(jù)其結(jié)構(gòu)和應(yīng)用的特點大致可分為以下4種:
1.存儲卡
存儲卡( Memory Card)以半導(dǎo)體存儲器取代磁卡的磁條,功能類似于磁卡。存儲卡內(nèi)的集成電路可以是ROM、PROM、EPROM、EE PROM和RAM(帶有電池)。由于電可改寫的E2 PROM的發(fā)展與廣泛應(yīng)用,內(nèi)含Ez PROM的存儲卡是存儲卡的發(fā)展方向。存儲卡可以加上簡單密碼,故可靠性及保密性高于磁卡。圖1 - 111是256字節(jié)E2 PROM存儲卡PCB2032/42結(jié)構(gòu)圖。
該存儲卡中內(nèi)含256字節(jié)的EEPROM,作為讀/寫信息;32字節(jié)寫保護區(qū),用來存放不改寫的永久數(shù)據(jù)。另外,有的存儲卡還有保密功能,如ATMEL公司的128字節(jié)的AT102? EE PROM IC卡。
2.付費卡
付費卡(Debit Card)事實上也是存儲卡的一種。該種IC卡采用預(yù)先付費,以后使用時扣去相應(yīng)的錢款。這種lC卡在使用時,只能減不能加。卡內(nèi)的金額扣完后可重新買卡(再寫入錢款額)。圖1- 112是104位的E2 PROM付費卡PCF 7960的結(jié)構(gòu)圖。
該卡的104位分為3部分:24位為識別碼數(shù)據(jù)(IC-Indenification Code數(shù)據(jù)).40位為只讀Card?Data,40位為Debit Data。其中,位72~103是可位寫和字節(jié)擦除的計數(shù)器值,最大計數(shù)器值為3×84 -12 288位。
3.智能卡
智能卡(Smard Card)不但嵌入了存儲器,還帶有CPU,除了具有大容量存儲外,還具有保密、識別等智能功能,如圖1 - 113所示。該類卡可分為如圖1 - 113所示的接觸式和如圖1 - 116所示的非接觸式。智能卡是lC卡發(fā)展的方向,目前主要應(yīng)用于銀行、金融、POS系統(tǒng)及信息管理存取系統(tǒng)等。
4.密碼卡
密碼卡(Crypto Card)也是智能卡的一種。該IC卡在智能卡基礎(chǔ)上,又嵌入了硬件密碼計算單元,以滿足RSA密碼算法的要求。密碼卡可以滿足公共密碼系統(tǒng)及開放式網(wǎng)絡(luò)的要求,是近年來發(fā)展的高性能智能卡。
IC卡具有存儲容量大和保密性強的特點,因此,不但能取代磁卡應(yīng)用,而且還具有更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域:付費電話(公用電話卡);銀行金融系統(tǒng)(銀行卡);健康保健系統(tǒng)(健康卡);售貨、消費(電度表收費,汽車加油)——消費卡;大學(xué)、企業(yè)管理(公司/校園卡);收費電視(Pay TV卡);停車、門禁管理}海關(guān)電子護照、身份證;公共汽車、地鐵的電子月票;高速公路、隧道、大橋的車輛自動收費;公共數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的合法存取。
IC卡與磁卡相比,有以下特點:
①存儲容量大,可達10 KB,大大超過磁卡的存儲量;保密安全性好,這是磁卡無可比擬的;IC卡的讀/寫可靠性要比磁卡高得多。
②IC卡(智能式)是1***立型計算機,可以不必實時聯(lián)網(wǎng)使用。這在我國通信設(shè)備較落后的情況下更具有現(xiàn)實意義。
③一卡多用,如公司卡既可消費(吃飯、購物),又可考勤,借書,借器材及用于資料管理等。
④IC卡價格要比磁卡高得多,推廣應(yīng)用有一定困難。
二、IC卡與單片機
IC卡是把單片機芯片封裝在卡片上,即帶有EE PROM的單片機以片的形式進行應(yīng)用。
MOTOROLA、SGS、OKI、HITACHI、SIEMENS、PHILIPS和ATMEI。等公司都有相應(yīng)的單片機作智能卡。原則上單片機內(nèi)含EE PROM都可以作智能卡。表1- 30列出了這些單片機的性能。
圖1 - 114是目前應(yīng)用量最大的智能卡單片機68HC05SC24的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。從圖中可以看出,其結(jié)構(gòu)與M68HC05系列單片機完全相同,只不過片內(nèi)的Ez PROM容量較大,以及配有相應(yīng)的Ez PROM所需的充電泵機構(gòu)(Charge Pump)。
隨著人們對智能卡密碼要求的不斷提高,密碼卡也應(yīng)運而生。PHILIPS公司較早推出了帶有密碼計算單元的83C 852單片機。如圖1- 115所示,它采用了80C 51為核。ROM為6KB.RAM為256字節(jié),EE PROM為2 KB。此外,還帶有512位RSA密碼的高速硬件計算解碼器,其算法為Xe(mod N)R= [(Y.X)+A]。該公開算法計算密碼需440 000年,而83C852單片機只需1.5 s就完成了密碼計算(以往若用軟件實現(xiàn),至少需1 min)。
近來,為了使智能卡應(yīng)用更為方便,采用非接觸的光電耦合來取代ISO—7816的8點接觸方式。非接觸式的智能卡(Contactless Smart Card)如圖1- 116所示,圖中的線圈可用印制板線圈來實現(xiàn)。非接觸智能卡是新一代的IC卡。香港的地鐵已用非接觸智能卡取代了使用多年的磁卡。
表1- 31和表1- 32分別列出了各公司的IC卡芯片的市場占有率和IC卡芯片的技術(shù)狀況。
三、IC卡的開發(fā)與應(yīng)用
IC卡是把單片機(或EE PROM)芯片先做成帶有8個觸點鍍金銅片的模塊,然后在PVC(或ABS)塑料卡片上挖個洞,再把模塊嵌入洞中。雖然IC卡與常用的單片機(或EzPROM)只是封裝形式不同,但是,由于形式不同,故開發(fā)應(yīng)用也有所不同。
存儲卡只是把串行接口(如I2C總線)的E2 PROM芯片封裝在卡片上。因此,存儲卡的開發(fā)應(yīng)用很方便,可以像常規(guī)的串行EE PROM芯片那樣,通過IC卡上的觸點按IIC總線規(guī)程來存取信息。
智能卡雖也只是把單片機芯片封裝在卡片上,但智能卡的開發(fā)應(yīng)用要比存儲卡復(fù)雜得多。智能卡信息的存取在形式上也與存儲卡一樣,通過讀卡器的觸點來串行讀/寫數(shù)據(jù)。由于智能卡的E2 PROM是在單片機內(nèi),故智能卡的讀/寫須通過單片機操作才能進行;同時,智能卡的密碼式存取也須通過單片機解碼認(rèn)證后才能合法存取信息。所以,智能卡中單片機內(nèi)的ROM要編有IC卡讀/寫的卡操作系統(tǒng)(Chip?Card Operating System,有別于常說的計算機操作系統(tǒng))和密碼的算法。智能式IC卡的單片機開發(fā)可像常規(guī)的單片機開發(fā)那樣,先用在線仿真器或軟件驗證板來開發(fā)編程,開發(fā)好的可進行掩膜,掩膜后的芯片就可以作為智能卡中的芯片。
為了便于IC卡的開發(fā)與應(yīng)用,國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO制定了以下標(biāo)準(zhǔn):
●7816 -1: IC卡的物理特性,如硬度、韌度及耐彎度等;
●7816 -2:IC卡的尺寸及接觸點的位置;
●7816 -3:IC卡的電信號,如電信號的定義、電壓、電流、工作頻率及啟動時的傳輸協(xié)議;
●7816 -4:IC卡用于國際交換的行業(yè)間命令;
●7816 -5:IC卡應(yīng)用識別時的編號和登記過程;
●7816 -6:IC卡用于行業(yè)間數(shù)據(jù)元素。
其中:前3部分用于制定IC卡的標(biāo)準(zhǔn),目前已基本標(biāo)準(zhǔn)化;后3部分用于應(yīng)用,還在完善之中。另外,根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域,ISO還在制定不同的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。如金融應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的ISO-9992,它制定了IC卡的生命周期、事務(wù)過程、密碼鍵關(guān)系、應(yīng)用模塊、IC卡密碼算法和IC卡安全驗證等。
智能IC卡的開發(fā)應(yīng)用與常規(guī)單片機的開發(fā)應(yīng)用方式稍有不同。IC卡的前期開發(fā)(7816-3中的IC卡部分的電信號操作、卡操作系統(tǒng)及密碼算法等)由IC卡研制廠商先行開發(fā),其開發(fā)過程類同常規(guī)單片機的開發(fā)過程。開發(fā)好的程序掩膜后,作成模塊,嵌入卡片內(nèi),形成IC卡供用戶再次開發(fā)與應(yīng)用。如圖1 - 117所示,IC下的生命周期分4個階段:制造期、格式化期、使用期和結(jié)束期。制造期,是在IC卡生產(chǎn)廠商的制造中完成;格式化期,是發(fā)卡者(如銀行)在生產(chǎn)廠商支持下根據(jù)應(yīng)用進行個性化( Personalization)及格式化;使用期,是持卡者(如客戶)用IC卡存取信息進行應(yīng)用;結(jié)束期,當(dāng)IC卡失效或存儲區(qū)滿時,即失效鎖死。
上述開發(fā),卡操作系統(tǒng)是關(guān)鍵。它有以下功能:
●數(shù)據(jù)傳輸管理根據(jù)7816 -3中的異步半雙工協(xié)議,對IC卡與卡終端設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸電信號進行管理。
●保密信息管理密碼下數(shù)據(jù)傳送,信息的加密/解密及驗證處理。
●應(yīng)用管理邏輯通道管理,應(yīng)用中的多任務(wù)處理及管理。
●文件管理操作系統(tǒng)由若干個MF(主文件)、DF(專用文件)和EF(基本文件)等組成,
信息的存取通過文件管理進行。
●存儲器管理文件及應(yīng)用的安裝管理、檢驗和計算以及自由存儲區(qū)的管理。
●密鑰管理密鑰作為記錄在文件中,密鑰的存儲、尋址和識別等。
●命令管理支持7816-4的卡與終端設(shè)備的命令處理及管理。
IC卡的應(yīng)用十分廣泛,特別是在歐洲。在國際上,IC卡主要應(yīng)用于金融、電信、醫(yī)療等方面。
國際上的IC卡生產(chǎn)廠商主要在歐洲,而且,大多數(shù)在法國,如Bull(布爾)、SCHLUM-BERGER(施倫伯格)、Gemplus(簡帕拉斯)、SIEMENS(西門子)和PHILIPS(飛利浦)公司。表1- 33~表1- 37給出了這些IC卡系列。
我國IC卡的應(yīng)用從1994年開始,至今已十分廣泛,有不少應(yīng)用系統(tǒng)。
智能IC卡的開發(fā)應(yīng)用,目前主要還是在政府職能部門指導(dǎo)下進行:
●銀行卡 上海浦東發(fā)展銀行的東方卡采用Bull公司的IC卡。
●金稅卡 根據(jù)我國新的稅務(wù)制采用大容量智能IC卡。
●移動電話卡? 我國的GSM卡采用了SCHLUMBERGER公司的IC卡。
由于對智能IC卡的開發(fā)平臺有一定的要求,應(yīng)用的規(guī)模要有一定的量,因此,智能IC卡的成本也較高。故除了上述較有規(guī)模的應(yīng)用外,在其他方面的應(yīng)用較少,而且規(guī)模也不大。但是,智能IC卡應(yīng)是IC卡應(yīng)用的方向。因此,在建立IC卡生產(chǎn)基地的同時,應(yīng)加強IC卡的操作系統(tǒng)、IC卡開發(fā)平臺和IC卡設(shè)備的研制,這樣,就沒有必要花高昂費用去購買IC卡的開發(fā)系統(tǒng)了,從而可加速我國智能lC卡的開發(fā)與應(yīng)用。
E2 PROM的IC卡由于開發(fā)方便,卡的成本也較低,因而該類IC卡目前在我國開發(fā)應(yīng)用較多。ATMEL公司的AT102(加密的1K位)在我國應(yīng)用較早,也較廣泛。如:
●公司/校園卡公司/學(xué)校的管理、考勤、食堂、小賣部等。
●交通卡如電子月票、停車、加油、公路收費等。
●電信類卡? 如電話卡。
●公用事業(yè)收費卡? 如電表卡、煤氣卡、水表卡等。
●收費電視卡在有線電視上對某些頻道進行收費。
根據(jù)我國的情況,IC卡的應(yīng)用可以中央與地方相結(jié)合,既進行智能IC卡的應(yīng)用開發(fā),也
大力推廣E2 PROM IC卡的應(yīng)用。在應(yīng)用達到一定規(guī)模后,逐步朝智能IC卡應(yīng)用發(fā)展(在一些領(lǐng)域仍可廣泛使用Ez PROM IC卡),并把重點放在非金融類方面的應(yīng)用。
IC卡的應(yīng)用有其特殊性,特別是開發(fā)的成本較高,故切忌一哄而上。不過,只要能正確引導(dǎo),IC卡的應(yīng)用會在我國結(jié)出碩果。特別是會在以下領(lǐng)域取得具有特色的應(yīng)用:
●金融卡? 由于我國通信線路較差,磁卡在商店消費要花費很長時間,智能IC卡可以當(dāng)場消費、結(jié)算,可取代磁卡的應(yīng)用。
●收費電視卡我國有億萬電視觀眾,此方面應(yīng)用有較明顯的效益。
●身份資料卡如身份證卡(可把指紋、簽字密碼儲存在卡中)、保健卡、電子護照等,其
應(yīng)用在我國尤具意義。
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