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第 8 章 IC 卡及其芯片

第 8 章 IC 卡及其芯片. 本章主要内容. 存储器芯片 逻辑加密芯片 CPU 芯片（内含 COS ）. 第 8 章 IC 卡及其芯片. 8.1 IC 卡的存储器芯片 8.2 接触式 IC 卡的逻辑加密卡 8.3 非接触式 IC 卡 （ Mifare 卡） 8.4 COS (Chip Operating System). 引 言. IC 卡按使用芯片不同，可分成存储卡、逻辑加密卡和智能卡。. IC 卡家族图. RFID 家族成员示意图. 8.1 IC 卡的存储器芯片. 存储器的性能：.

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第 8 章 IC 卡及其芯片

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  1. 第8章 IC卡及其芯片 本章主要内容 存储器芯片 逻辑加密芯片 CPU芯片（内含COS）

  2. 第8章 IC卡及其芯片 8.1 IC卡的存储器芯片8.2 接触式IC卡的逻辑加密卡8.3 非接触式IC卡 （Mifare卡）8.4 COS (Chip Operating System)

  3. 引 言 IC卡按使用芯片不同，可分成存储卡、逻辑加密卡和智能卡。

  4. IC卡家族图

  5. RFID家族成员示意图

  6. 8.1 IC卡的存储器芯片 存储器的性能： • 存储固定信息和消费信息（可修改）； • 只有与读写器接触时才取得能量； 存储器的类型： EEPROM； 有8个引出端、其中一个为数据I/O端； 信息传送以串行方式进行；

  7. 美国ATMEL公司的AT24C01A/02/04/08/16为例： 1. 芯片特点 • 低电压 • 内部组成AT24C01A（1K：128*8） • 双线串行接口（时钟SCL，串行数据SDA） • 支持ISO/IEC 7816－10 同步协议 • 高可靠性：10万次、100年

  8. VCC GND C1 C5 NC NC C2 C6 SCL C3 C7 SDA 2. 芯片封装

  9. 3. EEPROM逻辑图 Q：EEPROM如何读写 ? 器件地址 输入端 （标准封装）

  10. SCL（串行时钟）：SCL上升沿将数据输入到EEPROM芯片，下降沿将EEPROM中的数据读出。SCL（串行时钟）：SCL上升沿将数据输入到EEPROM芯片，下降沿将EEPROM中的数据读出。 SDA（串行数据）：双向串行数据传送端，采用漏极开路驱动，可以进行？ 串行控制逻辑：用于区分SCL和SDA。 地址/计数器：形成访问EEPROM的地址，分别 送X译码器进行字选，送Y译码器进行位选。 升压/定时线路：为EEPROM的写入操作提供高电压（12V～20V）

  11. 4. 器件操作 数据和时钟传送：SCL和SDA通常各自通过一个电阻上拉到高电平。 SDA上的数据仅在和SCL为高电平时有效，低电平时允许数据变化。

  12. （ 1） 输出数据 当数据(包括地址、数据)由接口设备送往AT24Cxx时，称为输出数据(写数据)。数据总是按字节(8位)逐位串行输出，每个时钟脉冲输出一位。SDA总线上的数据应在SCL低电平期间改变(输出)，在SCL高电平期间稳定。 基于MCS-51单片机的接口设备可利用如下串行输出字节子程序WRITE来实现输出(写)一个字节数据的操作。

  13. WRITE: ；串行输出一个字节到AT24Cxx，高位在前。调用前，SCL、SDA为低。返回时，SCL为低。调用时数据置入A中。返回CY为1表明应答失败。占用A累加器 PUSH B MOV B，#8 ；设置位计数器 L1: RLC A ；移一位到CY中 MOV SDA，C ；输出位 NOP ；保持SCL为低且使数据稳定 SETB SCL ；升高时钟 ACALL DELAY_4 μs；保持SCL为高

  14. CLR SCL ；降低时钟 DJNZ B, L1 ；传送下一位 SETB SDA ；释放SDA等待应答 NOP ；保持SCL为低，保持时间tAA NOP SETB SCL ；升高ACK时钟脉冲 ACALL DELAY_4 μs；保持SCL为高 MOV C, SDA ；读入ACK位 CLR SCL ；降低ACK时钟脉冲 POP B RET

  15. （2） 输入数据 当接口设备从AT24Cxx的数据线上读取数据时，称为输入数据(读数据)。数据总是按字节(8位)逐位串行输入，每个时钟脉冲输入一位。AT24Cxx的EEPROM在SCL低电平期间将数据送往SDA总线，在SCL高电平期间，SDA总线上的数据稳定，可供接口设备读取。 基于MCS-51单片机的接口设备可利用如下串行输入字节子程序READ 来实现输入(读)一个字节数据的操作。

  16. READ: ；从AT24Cxx串行输入一个字节，高位在前。调用前，SCL为低。返回时，SCL为低。返回时接收到的数据置于A中 SETB SDA ；使SDA为高，准备读 PUSH B MOV B，#8 ；设置位计数器 L2: NOP ；保持SCL为低且使数据稳定 NOP SETB SCL ；升高时钟

  17. NOP ；保持SCL为高 NOP MOV C, SDA ；输入位 RLC A ；将位移入A CLR SCL ；降低时钟 DJNZ B, L2 ；传送下一位 POP B RET

  18. 当SCL高电平时，如数据变化，则将形成“开始”或“停止”两种状态。当SCL高电平时，如数据变化，则将形成“开始”或“停止”两种状态。 （1）开始状态(START) SCL处于高电平时，SDA从高电平转向低电平表示一个“开始”状态，该状态表示一种操作的开始，因此必须在任何其他命令之前执行。AT24Cxx开始/停止定义时序图见图。

  19. 基于MCS-51单片机的接口设备可利用如下开始子程序START来实现一个开始操作。基于MCS-51单片机的接口设备可利用如下开始子程序START来实现一个开始操作。 START: ；发送START状态，定义当SCL为高时，SDA从高到低。返回时，SCL、SDA为低。当总线无效时，返回CY位为高 SETB SDA ；升高SDA SETB SCL ；校验总线有效 JNB SDA, ERROR1；若SDA不为高则跳转到ERROR1 JNB SCL, BACK1 ；若SCL不为高则跳转到BACK1 NOP ；保持数据建立延迟及周期延迟

  20. CLR SDA ；降低SDA ACALL DELAY_4 μs；保持SDA为低，保持时间4 μs CLR SCL ；降低SCL CLR C ；清零错误标志 AJMP BACK1 ERROR1: SETB C ；置位错误标志 BACK1: RET

  21. （2）停止状态(STOP) SCL处于高电平时，SDA由低电平转向高电平表示一个“停止”状态。该状态表示一种操作的结束并将终止所有通信。在一个读序列之后，停止命令置EEPROM于待机模式。

  22. 基于MCS-51单片机的接口设备可利用如下停止子程序STOP来实现一个停止操作。基于MCS-51单片机的接口设备可利用如下停止子程序STOP来实现一个停止操作。 STOP: ；发送STOP状态，定义当SCL为高时，SDA从低变高。调用前，SCL为低。返回时，SCL、SDA为高 CLR SDA NOP ；保持SCL为低及数据稳定 NOP SETB SCL ACALL DELAY_4 μs；保持建立延迟 SETB SDA RET

  23. 5. 器件寻址 1K、2K、4K、8K和16K EEPROM在开始状态之后紧跟8位器件地址，使芯片能执行读/写操作。 1K/2K MSB LSB • A2、A1、A0为器件地址，与硬布线输入端相对应。 • R/W是读/写操作选择位，高电平为读，低电平为写。

  24. 4K MSB LSB 8K 16K 4K EEPROM：A2、A1为地址位，另一位为页面地址位P0。A2A1必须与硬件布线端相对应。 页面地址位也就是随后的数据字地址的最高位。

  25. 6. 写操作 （1）写字节（ BYTE WRITE） 写字节时序见图8.1 。写字节时序要求在给出“开始”状态、器件地址码和收到卡的确认应答ACK后，紧跟着给出一个8位地址码(32 KB芯片是2个8位地址码)。卡收到地址码后发出确认应答ACK。

  26. 图8.1 AT24Cxx写字节时序图 然后送8位数据到SDA线上，并进入EEPROM单元，每个时钟节拍送入1位。EEPROM单元收到数据后，通过SDA线发出确认应答ACK。数据传送设备必须用“停止”状态来结束写操作。这时EEPROM进入内部定时的写周期，如图中的tWR，在写周期期间，将数据写入非易失性存储器，并禁止所有其他操作直到写完成。

  27. 图8.2 AT24Cxx写周期时序图

  28. 基于MCS-51单片机的接口设备可利用如下写字节子程序WRITE_BYTE来实现写字节操作。基于MCS-51单片机的接口设备可利用如下写字节子程序WRITE_BYTE来实现写字节操作。 WRITE_BYTE: ；AT24Cxx写字节功能。调用前可编程的器件地址programmable address置于A中，字节地址置于寄存器ADDR_H和ADDR_L中，数据置于寄存器XDATA中。未等待写周期完成。返回CY为1表明总线无效或该器件无应答。占用A累加器 ACALL START； 开始子程序 JC BACK2 ；若总线无效则中断 OR A, #FADDR ；加入固定器件地址 CLR ACC.0 ；设置写，建立器件地址

  29. ACALL WRITE ；发送器件地址 JC ERROR2 ；若无应答则中断 MOV A, ADDR_H ；发送字节地址的高8位 ACALL WRITE JC ERROR2 ；若无应答则中断 MOV A, ADDR_L ；发送字节地址的低8位 ACALL WRITE JC ERROR2 ；若无应答则中断 MOV A, ADATA ；取数据 ACALL WRITE ；发送数据 JC ERROR2 ；若无应答则中断 CLR C ；清零错误标志 ERROR2: ACALL STOP BACK2: RET

  30. （2）写页面（ 输出数据） 1K/2K EEPROM能进行8字节页面写入，4K/8K/16K设备能进行16字节页面写入。 写页面操作与写字节操作类似，但数据传送设备不需要在第一个字节输入后发停止状态。 在EEPROM确认收到第一个数据后，数据传送设备再传送7个（1K/2K）或15个（4K/8K/16K）字节数据，在每一个数据收到后，EEPROM都要通过SDA送回确认信号，最后数据传送设备通过停止状态终止写页面。

  31. 图8.3 写页面时序图

  32. 数据地址的低3位(对于AT24C01/02)或4位(对于AT24C04/08/16)在收到每个数据字后，在芯片内部自动加1。数据字地址的高位字节保持不变，以保持存储器页地址不变。如果传送到EEPROM中的数据字超过8(对于AT24C01/02)或16(对于AT24C04/08/16)，数据字地址将“滚动覆盖”，以前写入的数据将被覆盖。数据地址的低3位(对于AT24C01/02)或4位(对于AT24C04/08/16)在收到每个数据字后，在芯片内部自动加1。数据字地址的高位字节保持不变，以保持存储器页地址不变。如果传送到EEPROM中的数据字超过8(对于AT24C01/02)或16(对于AT24C04/08/16)，数据字地址将“滚动覆盖”，以前写入的数据将被覆盖。 基于MCS-51单片机的接口设备可利用如下写块子程序WRITE_BLOCK来实现写页面操作。

  33. WRITE_BLOCK: • ；向AT24Cxx写入一页数据。调用时器件地址的可编程地址置于A中，第一个字节地址置于寄存器ADDR_H和ADDR_L中，数据置于BUFFER中，字节计数器置于寄存器COUNT中。未等待写周期完成。返回时CY位为1表明总线无效或器件无应答。占用A，COUNT，INDEX(注：INDEX为数据缓冲区指针，可使用工作寄存器R0) • ACALL START • JC BACK3 ；总线无效则中断 • OR A, #FADDR ；生成器件地址

  34. CLR ACC.0 ；定义写操作 ACALL WRITE ；发送器件地址 JC ERROR3 ；无应答则中断 MOV A, ADDR_H ；发送字节地址高8位 ACALL WRITE JC ERROR3 ；无应答则中断 MOV A, ADDR_L ；发送字节地址低8位 ACALL WRITE JC ERROR3 ；无应答则中断 MOV INDEX, #BUFFER ；指向数据缓冲区首地址

  35. L3: MOV A, @INDEX ；取数据 ACALL WRITE ；发送数据 JC ERROR3 ；无应答则中断 INC INDEX ；地址指针加1 DJNZ COUNT, L3 ；下一个字节 CLR C ；清零错误标志 ERROR3: ACALL STOP BZCK3: RET

  36. 复习 • IC卡的详细分类（家族图） • 存储卡的芯片特点 • 存储卡的器件操作方式 • 器件寻址方式（按字节寻址和页面寻址） • 如何实现存储卡芯片的写操作（结合时序）

  37. 8.2 接触式IC卡的逻辑加密卡 • 逻辑加密卡主要由EEPROM单元阵列和密码控制逻辑电路构成； • 功能介于存储卡和CPU卡之间； • 适用于需要保密，但对保密功能要求不高的场合；

  38. 逻辑加密卡的逻辑结构图

  39. 8.2.1 名词定义 1）写入：向EEPROM写入“0” 2）擦除：向EEPROM写入“1” 3）熔断：对EEPROM单元进行一次性的写入操作 4）个人化：发行商将IC卡发行给个人时，写入发行商代码、用户密码、用户身份标识，并擦除其余应用区EEPROM的过程。 5）密码错误计数：密码错误输入的次数，超过该次数，IC卡将自锁。

  40. 逻辑加密卡的主要内容 • 逻辑加密卡的功能框图 • 逻辑加密卡的存储区的分类 • 典型芯片案例 （1）ATMEL公司的芯片案例 （2）Siemens公司的芯片案例

  41. EEPROM单元阵列 保密逻辑部分 地址计数器 地址译码器 密码比较电路 内部寄存器 8.2.2 逻辑加密卡的功能框图 逻辑加密卡芯片从功能上分两个部分：

  42. 逻辑加密卡的功能框图

  43. RST信号将地址计数器置全0； • 行/字驱动器与列/位选择器为EEPROM单元提供选择信号；由列选择器选择其中的某位进行读/写。

  44. 地址计数器：仅是计数器，EEPROM的访问按地址顺序逐一进行。地址计数器：仅是计数器，EEPROM的访问按地址顺序逐一进行。 • 地址译码器 • 密码比较器

  45. 内部寄存器：锁存密码比较器的结果和应用区的读/写属性，供逻辑控制阵列。内部寄存器：锁存密码比较器的结果和应用区的读/写属性，供逻辑控制阵列。 • 逻辑控制阵列：控制EEPROM的读/写。

  46. 8.2.3 芯片内部存储区域 采用分区结构 • 制造代号区 • 发行代号区 • 用户密码区 • 密码比较计数区 • 用户个人区 • 应用区 • 擦除密码区 • 擦除计数区

  47. 1. 制造商代码区(FZ, Fabrication Zone) • 记录卡芯片生产商的特定信息(例如：生产批号、日期及特别制定的特征代码)。 • 该区域里的单元信息一般由制造商在芯片出厂前写入。 • 当控制本区的熔丝(FUSE1)没有熔断时，该区的存储单元可像普通的EEPROM存储单元一样擦除和改写。 • 一旦熔丝熔断，所写入的“制造商代码”就不可再更改。 • 芯片出厂时，厂商一般将此代码注入，并熔断保护熔丝(FUSE1)，从而使写入该区的标识信息不可更改，只能以读出。

  48. 特征： • 标识代号由生产商事先选定， • 代码注入后将保护熔丝熔断，以确保日后不可更改。 因此在卡片发行应用中，将这一标识作为系统中验证卡片真伪的重要标识。

  49. 2. 发行商代码区(IZ，Issuer Zone) • 用于记录卡片发行商的特定信息(例如：发行批号、日期、地区编号及特定用户编号等特征代码)。 • 该区域的单元信息是在卡片进行个人化处理的过程中写入。 • 当控制本区的熔丝(FUSE2)没有熔断时，该区的存储单元内容可以自由地擦除或改写。 • 个人化处理完成之后，控制该区的熔丝(FUSE2)熔断，即可将注入的“发行商代码”完全固化。

  50. 在随后的卡片应用中，该区的内容不可更改，但可以任意读出。在随后的卡片应用中，该区的内容不可更改，但可以任意读出。 该代码也是识别卡片的真伪，区分卡片应用类别的重要标识。

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