智能卡COS芯片層模塊設計與測試方案研究

文章出處：http://psychicreadingswithdeb.com 作者：張李靜 張秋燕   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年09月28日

    0 引 言 

    隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，智能卡的應用已經(jīng)越來(lái)越廣泛，涉及到人類(lèi)生活的各個(gè)領(lǐng)域，如商業(yè)、醫療、保險、交通、社會(huì )公共事業(yè)等多種領(lǐng)域，所以如何設計一個(gè)高效穩定的智能卡操作系統口具有較高的社會(huì )意義。這里針對智能卡的硬件結構設計了操作系統的通信和硬件其他模塊，并提出了一種測試方案以檢測芯片底層模塊的穩定性。

  1 智能卡操作系統概述 

    片內操作系統(Chip Operating System，COS)一般是緊緊圍繞著(zhù)它所服務(wù)的智能卡的特點(diǎn)而開(kāi)發(fā)的。與常見(jiàn)的微機上的操作系統相比，COS在本質(zhì)上更加接近于監控程序。在此以具體開(kāi)發(fā)實(shí)例說(shuō)明卡片操作系統的基本問(wèn)題，并提出一種可行可測試的芯片層設計方案及一種芯片底層的測試方案。

    2 COS芯片模塊設計 

    COS底層模塊在設計時(shí)一般都是緊密結合智能卡內存儲器分區的情況，按照國際標準中所規定的一些功能進(jìn)行設計、開(kāi)發(fā)。
IS07816是接觸式智能卡必須遵循的國際規范其中IS07816—3主要描述接觸式智能卡的電信號和傳輸協(xié)議，其中包括各個(gè)觸點(diǎn)的電壓電流承受范圍、卡復位應答各個(gè)信息位的實(shí)際表示和T=0，T=1的傳輸協(xié)議。ISO／IEC 7816—3規定了IC卡的電氣特性和傳輸協(xié)議。包括該類(lèi)卡和接口設備問(wèn)的電源、電氣信號協(xié)議和信息交換協(xié)議。通信過(guò)程中，由接口設備給IC卡提供電源 (Vcc)，復位信號(RST)和時(shí)鐘(CLK)，卡和接口設備間通過(guò)I／O端口進(jìn)行串行通信。 

    (1)通信模塊設計。根據T=0異步半雙工字符傳輸協(xié)議，Ic卡和接口設備之間以字符為單位(簡(jiǎn)稱(chēng)字符幀)進(jìn)行傳輸，采用偶校驗，每個(gè)字符由10 b組成。傳輸字符幀之前，I／O線(xiàn)處于狀態(tài)z，第1 b為起始位(狀態(tài)A)；后面8 b為數據位D1～D8；第10 b為偶校驗位，即8位數據和奇偶校驗位中1的個(gè)數為偶數。
 
   串行通信是按位傳送的，每位信息寬度(持續時(shí)間)定義為基本時(shí)間單位ETU(Elementary Time Unit)。在復位應答期間的信息寬度稱(chēng)為“初始ETU”，它等于372個(gè)時(shí)鐘周期，即1ETU=372／f。復位應答后的信息寬度稱(chēng)為“當前ETU”，其計算公式為：當前ETU=(F／D)(1／f)。其中：F是時(shí)鐘頻率變換因數；D是比特率調整因數；f是時(shí)鐘頻率。 

   IC卡必須與相應的讀寫(xiě)設備(IFD)通信。從這個(gè)角度講，智能IC卡操作系統的作用就是從讀寫(xiě)設備(IFD)接收命令、執行命令并將結果返回讀寫(xiě)設備 (IFD)。所以，通信管理功能模塊在操作系統中具有十分重要的作用。通信管理功能模塊主要實(shí)現以下幾種功能：實(shí)現某一通信協(xié)議的數據鏈路層的傳輸管理功能；實(shí)現ISO／IEC 7816標準規定的ATR(復位響應)等功能；為操作系統中的其他功能模塊提供相應接口。
 
   按ISO／IEC 7816標準，IC卡和讀寫(xiě)設備之間的通信協(xié)議有多種，一般一種卡片只支持某一種通信協(xié)議。下面以符合ISO／IEC 7816—3標準的T=0字符傳輸協(xié)議的智能IC卡為例介紹通信管理功能(支持其他通信協(xié)議的卡的通信管理功能與此相似)。 

   ICC上電之后，IFD將向ICC發(fā)送命令數據，在這樣一次典型的通信過(guò)程中，通信管理功能主要從事6個(gè)步驟的具體工作。如圖1所示。 

圖1：6個(gè)步驟的具體工作

   以下是卡片接收指令相關(guān)的源代碼： 

   (2)硬件模塊設計。智能卡COS上電后首先要進(jìn)行芯片初始化，其主要設置以下幾個(gè)方面：芯片初始工作時(shí)的頻率，以及使用外頻還是內頻；芯片串口初始工作的速率(一般為“ll”的波特率)-芯片串口的工作模式(包括T=0還是T=1協(xié)議，正向傳輸還是反向傳輸，奇校驗還是偶校驗等)；存儲器的初始映射方式。 

    智能卡芯片(以下以51系列智能卡芯片為例)一般包含幾十到幾百KB的FLASH，以1個(gè)頁(yè)面為單位進(jìn)行擦除，根據FLASH編程寫(xiě)的特點(diǎn)，也就是1能寫(xiě)成0，而0不能寫(xiě)成1，故在設計編程寫(xiě)函數時(shí)為了保證寫(xiě)數據的正確性，特采取如下的方式實(shí)現此功能： 

    第一步：取出要寫(xiě)入地址的數據(為A)，與要寫(xiě)入的數據(為B)進(jìn)行與操作(結果為C)；
    第二步：在要寫(xiě)入數據的地址寫(xiě)入數據(B)；
    第三步：取出寫(xiě)人數據后的地址的數據與數據C進(jìn)行比較。 

    對于51系列智能卡芯片，由于標準的8051對程序存儲器最大值支持64 KB，所以芯片采用BANK的編址方式。這時(shí)往往需要一個(gè)映射函數來(lái)實(shí)現不同BANK的跳轉。如果一款智能卡芯片的程序存儲器采用128 KB的FLASH用來(lái)存放COS和用戶(hù)數據。128 KB的FLASH均分4個(gè)32 KB的BANK，在這4個(gè)區域里，Commom區是3個(gè)Bnak的公共區域，即Commom區和每個(gè)32 KB的BANK都可以組成64 KB的連續空間。3個(gè)Bnak之間不能直接互相訪(fǎng)問(wèn)，而必須調用Commom區里的程序才能實(shí)現相互的訪(fǎng)問(wèn)。所以在創(chuàng )建工程時(shí)要把經(jīng)常使用的程序和常數，如中斷入口函數、Bank Switch跳轉表等都放到Commom區里，這樣才能實(shí)現各個(gè)區域的相互訪(fǎng)問(wèn)。 

    (3)異常保護模塊設計。IS07816—3規定2個(gè)連續字符上升沿之間的延遲至少是12 ETU，且2個(gè)連續字符上升沿之間的延遲應不超過(guò)9 600 ETU。所以COS在設計時(shí)要加入發(fā)送“60”來(lái)實(shí)現正常的通信。 

    發(fā)送“60”采用芯片定時(shí)器中斷的方式，設置定時(shí)器的工作模式，使用時(shí)鐘和的初始值。定時(shí)器的中斷服務(wù)程序的實(shí)現流程：關(guān)閉發(fā)送“60”定時(shí)器；發(fā)送“60”；打開(kāi)發(fā)送“60”定時(shí)器。 

    操作系統的異常處理，此函數為COS進(jìn)行異常狀態(tài)時(shí)調用的函數。進(jìn)入異常狀態(tài)時(shí)，要關(guān)閉發(fā)送“60”的定時(shí)器，然后進(jìn)入死循環(huán)狀態(tài)。 

    3 芯片測試方案設計 

    以下提出一種針對芯片模塊函數的測試方案。即嵌入式Testing COS。
    (1)Testing COS測試平臺組成。T-COS平臺由MAIN．C文件、API．C文件、常量配置、A51文件以及芯片庫、LIB文件組成。其中，針對不同的芯片，main．c，api．C是相同的，而常量配置文件和芯片庫文件則不同，在使用時(shí)需要更改或更換。 

    另外，MAIN．C文件中的CommandInterpreter()命令解釋器函數是對發(fā)送命令的識別解釋(在此函數中，為所有需要測試的函數定義了指令嗎)。被測函數的函數體在A(yíng)PI．C文件中。芯片庫在A(yíng)PI．C文件中被具體調用。 

    此Testing COS可直接寫(xiě)入智能卡中，設計思路是：采用直接APDU指令調用的形式，直接調用硬件模塊函數，如擦一頁(yè)函數。執行完指令，函數返回一個(gè)狀態(tài)字。 

    主程序是一個(gè)死循環(huán)，如下：

    命令解釋器函數支持多個(gè)函數，為用戶(hù)對硬件的直接操作提供接口，可以通過(guò)發(fā)送APDU指令實(shí)現對芯片的多種操作。 

    例如：APDU：80 00 10 00 00表示擦除地址0x1000所在頁(yè)面。
    APDU：80 0C 10 00 10表示從地址Oxl000開(kāi)始讀取長(cháng)度為Oxl0的數據。
    (2)Tesling COS測試平臺的使用。T—COS測試 平臺測試流程，如圖2所示： 

    (3)Testing COS測試平臺局限性分析。T—COS平臺使用方便簡(jiǎn)潔，易于觀(guān)察執行結果，但是其不能觀(guān)察過(guò)程。因此，在返回結果與預期結果不一致，或者出現錯誤的情況下，無(wú)法判斷產(chǎn)生錯誤的原因。在這種情況下，需要借助仿真器，跟蹤執行過(guò)程，最終找出產(chǎn)生問(wèn)題的原因。

    4 結 語(yǔ) 

    智能卡操作系統根本的部分就在于芯片底層各個(gè)模塊的穩固性。芯片層開(kāi)發(fā)是電信、稅控等產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的重要組成部分之一，也是最基礎的部分。為了保證電信、稅控產(chǎn)品可以在不同芯片之間的平穩移植，需要對芯片層的開(kāi)發(fā)提出一定的要求和標準，這樣可以保證上層開(kāi)發(fā)的一致性。