基于單片機GMS97C52+SLE4442的IC卡讀寫控制設(shè)計

1、xxx大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計xxxx大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計ic卡讀寫控制設(shè)計學(xué)生姓名 所 在 系專業(yè)名稱班 級學(xué) 號指導(dǎo)教師xxxx大學(xué)教務(wù)處年 月36 ic卡讀寫控制設(shè)計學(xué)生： 指導(dǎo)教師：內(nèi)容提要：現(xiàn)代電子信息技術(shù)的高速發(fā)展改變了人類傳統(tǒng)的工作和生活方式，其與人類社會生活中的許多事物的結(jié)合，產(chǎn)生了許多新的技術(shù)和產(chǎn)品。ic卡就是電子信息技術(shù)與傳統(tǒng)卡片相結(jié)合的產(chǎn)物。它將個人信息存儲到嵌有集成電路芯片的卡片中，實現(xiàn)人與信息系統(tǒng)的交流。隨著全球信息化的發(fā)展, ic卡在全球的應(yīng)用越來越廣泛。ic卡是一個正蓬勃發(fā)展的邊緣產(chǎn)業(yè)，一個與我們的生活正越來越密切的產(chǎn)業(yè)。在普及因特網(wǎng)和計算機的大潮涌來時，ic卡扮演著越來越重

2、要的角色。本論文圍繞“ic卡讀寫控制設(shè)計”這一熱點課題，主要本文首先介紹了ic卡的概念、特點;將ic卡與磁卡進行了比較;論述了ic卡的發(fā)展和應(yīng)用;詳細分析了siemens公司的sle4442邏輯加密卡，對此種卡型的讀寫器ic卡讀寫器的硬件、軟件進行了設(shè)計和分析，結(jié)合i2c總線的相關(guān)知識，組成以單片機gms97c52為核心的硬件電路，用c、匯編語言編寫控制程序。詳細介紹接觸式ic卡讀寫原理，闡述了相應(yīng)的ic卡讀寫控制的設(shè)計方案、開發(fā)方法和開發(fā)過程。關(guān)鍵詞：ic卡 讀卡器 sle4442邏輯加密卡 i2c總線 單片機gms97c52sle4442ic card reader control des

3、ignabstract: modern electronics rapid development of information technology has changed the traditional work of humanity and way of life, its society and human life, the combination of many things, have had a lot of new technologies and products. ic card is the electronic information technology with

4、 the traditional product of the combination of cards. it will store personal information embedded integrated circuit chip card, the person with the implementation of information systems communicate. with the development of global information, ic card application in the world more and more widely. ic

5、 card is a positive edge of booming industries, a u.s. life industry is increasingly close. popularization of the internet and at the computer when the flood tide, ic card to play an increasingly important role. in this paper, around the ic card reader control design, the hot topic, the main paper f

6、irst introduced the concept of ic cards, characteristics; to ic cards and magnetic cards are compared; discusses the ic card of the development and application; detailed analysis of the siemens the companys sle4442 logic encryption card, such card-type reader-ic card reader hardware, software design

7、 and analysis, combined with i2c-bus-related knowledge, form a single-chip microcomputer as the core gms97c52 hardware circuits, using c, assembly language control program prepared. detailed introduction of contactless ic card reader the principle of the corresponding ic card reader-controlled desig

8、n, development methodology and development process. key words：ic card reader sle4442 logic encryption card i2c-bus single-chip gms97c52目 錄一、引言1（一）ic卡技術(shù)及其發(fā)展1（二）ic卡的概念2（三）ic卡的主要特點2（四）ic卡的分類3（五）ic卡應(yīng)用系統(tǒng)的基本組成與制造過程圖示5二、ic卡的安全問題5（一）概述6（二）數(shù)據(jù)加密6（三）數(shù)據(jù)安全問題及措施9三、硬件原理11（一）i2c總線11（二）西門子sle4442邏輯加密卡14（三）ic卡座15四、讀寫

9、器的硬件設(shè)計17（一）ic卡讀寫器的電原理圖17（二）電路原理18五、系統(tǒng)軟件設(shè)計21（一）軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計21（二）軟件系統(tǒng)分析24致 謝26附 錄27附錄一 sle4442卡讀寫函數(shù)27附錄二 ic卡芯片操作地址30參考文獻37 一、引言（一）ic卡技術(shù)及其發(fā)展ic卡的最初設(shè)想是由日本人提出來的。1969年12月，日本的有村國孝（kunitaka arimura）提出一種制造安全可靠的信用卡方法，并于1970年獲得專利，那時叫id卡（identification card）。1974年一名法國新聞記者羅蘭莫雷諾（roland moreno）發(fā)明發(fā)明了帶集成電路芯片的塑料卡片，并取得了專利權(quán)，這

10、就是早期的ic卡(integrated circuit card)。1976年法國布爾（bull）公司研制出世界第一枚ic卡。1984年，法國的ptt（posts, telegraphs and telephones）將ic卡用于電話卡，由于ic卡良好的安全性和可靠性，獲得了意想不到的成功。隨后國際標準化組織（iso，international standardization organization）與國際電工委員會（iec，international electrotechnical commission）的聯(lián)合技術(shù)委員會為之制訂了一系列的國際標準、規(guī)范，極大地推動了ic卡的研究和發(fā)展。由

11、于ic卡小巧玲瓏，便于攜帶，存儲量大，保密性好，使用壽命長，制造成本低，它日益受到人們的青睞。如今它已廣泛用于金融流通、購error! no bookmark name given.物預(yù)付、身份認證、資料記錄等方面，是繼磁卡之后出現(xiàn)的又一種新型信息工具。目前在我國，隨著金卡工程建設(shè)的不斷深入發(fā)展，ic卡已在眾多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，并取得了初步的社會效益和經(jīng)濟效益。2000年，全國ic卡發(fā)行量約為2.3億張，其中電信占據(jù)了大部分市場份額。公用電話ic卡市場占有約1.2億多張，移動電話sim卡超過4200萬張，其它各類ic卡約6000萬張。2001年ic卡總出貨量約3.8億張，較上年增長26%；發(fā)行

12、量約3.2億張，較上年增長40%。從應(yīng)用領(lǐng)域來看，公用電話ic卡發(fā)行超過1.7億張，sim卡發(fā)行5500萬張，公交ic卡為320萬張，社保領(lǐng)域發(fā)卡為1400萬張，其它發(fā)卡為8000萬張。盡管ic卡的發(fā)行量保持了較高的增長率，但市場銷售額在it市場中的比重還很小。據(jù)信息產(chǎn)業(yè)部計算機與微電子發(fā)展研究中心（簡稱ccid）統(tǒng)計，2001年我國計算機市場銷售額約2502億元，而ic卡市場銷售額不到21億元。ic卡市場還構(gòu)不成我國it業(yè)的亮點，對it市場的拉動作用并不明顯。這一方面制約it企業(yè)對ic卡技術(shù)的投入，另一方面，也預(yù)示著我國ic卡市場的巨大發(fā)展空間。隨著政府管理和支持力度的加大、技術(shù)研發(fā)水平的提

13、升，ic卡市場競爭格局將發(fā)生深刻的變化。由于高端芯片、核心模塊、金融pos機、生產(chǎn)設(shè)備等被國外企業(yè)所掌握，造成國外品牌對一些細分市場的相對壟斷。隨著政府智能卡項目的啟動，移動通信市場的逐步開放，國內(nèi)企業(yè)技術(shù)實力和工藝流程的優(yōu)化，使得國外品牌市場份額受到很大程度的限制，而國內(nèi)品牌將會有快速的發(fā)展。一些從電信市場成長起來的國內(nèi)ic卡企業(yè)，依托雄厚的資金和技術(shù)實力，將在身份證、金融、社保、交通、指紋識別等領(lǐng)域繼續(xù)拓展業(yè)務(wù)，直接參與國際化競爭。2008年乃至今后，是我國ic卡應(yīng)用向縱深發(fā)展的時期。我國ic卡市場格局必將由無序走向有序，市場競爭必將由有限走向無限，ic卡市場將逐步走向成熟，進入微利時代。

14、在這種形勢下，單純的發(fā)卡量和新產(chǎn)品的數(shù)量并不能衡量ic卡產(chǎn)業(yè)與市場的發(fā)展水平，市場發(fā)展的程度最終取決于ic卡的應(yīng)用水平及其帶來的社會效益。從可持續(xù)發(fā)展的角度講，加強行業(yè)規(guī)范，推動ic卡企業(yè)由產(chǎn)品和技術(shù)型轉(zhuǎn)向應(yīng)用和服務(wù)型，將成為我國ic卡市場發(fā)展的重要趨勢。1970年，法國人羅蘭德莫瑞諾（roland moreno）第一次將可進行編程設(shè)置的ic（integrated circuit）芯片放于卡片中，使卡片具有更多的功能。當時，他對這項技術(shù)的描述是：鑲嵌有可進行自我保護存儲器的卡片。這樣就誕生了世界上第一張ic卡。在此后的三十多年里，隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)、計算機技術(shù)以及信息安全技術(shù)等的發(fā)展，i

15、c卡種類更加豐富，技術(shù)也更趨成熟，已在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。下面將從不同的角度對ic卡進行詳細分類和簡單分析。（二）ic卡的概念ic卡(integrated circuit card，集成電路卡)在有些國家和地區(qū)也稱智能卡(smart card)、智慧卡(intelligent card)、微電路卡(microcircuit card)或微芯片卡等。它是將一個微電子芯片嵌入符合iso 7816標準的pvc（或abs等）塑料基片中，封裝成外形與磁卡類似的卡片形式，即可制成一張我們生活中常見的ic卡。一部分ic卡因其極高的安全性現(xiàn)已越來越受到人們的普遍重視，已越來越多的領(lǐng)域取代磁卡及其它數(shù)據(jù)卡片

16、，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。ic卡作為一種新的高科技產(chǎn)品正在引起人們的廣泛關(guān)注，其關(guān)鍵在于ic卡的應(yīng)用，它標志著一種信息處理手段的問世。未來多功能的ic卡普及與應(yīng)用將改變整個社會的生活方式，是人類全面邁向電子化時代的鑰匙。（三）ic卡的主要特點從全球范圍看，現(xiàn)在ic卡的應(yīng)用范圍已不再局限于早期的通信領(lǐng)域，而廣泛地應(yīng)用于金融財務(wù)、社會保險、交通旅游、醫(yī)療衛(wèi)生、政府行政、商品零售、休閑娛樂、學(xué)校管理及其它領(lǐng)域，融入我們生活中的點點滴滴。由此可見，ic卡之所以能夠全方位的出現(xiàn)在人們的生活中，跟它自身的特點也有一定的關(guān)系。那么，ic卡的主要特點又有哪些呢？我們可以概括為以下幾類:1.高可靠性：防磁、防靜

17、電、防破壞性和耐用性強。2.高安全性：防偽性好,存儲數(shù)據(jù)安全性高（可加密）。3.方便使用：應(yīng)用設(shè)備及系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境成本低,數(shù)據(jù)存儲量大。4.多應(yīng)用類型：品種型號齊全、技術(shù)規(guī)范成熟。（四）ic卡的分類社會發(fā)展到今天，ic卡的種類也有很多。在接觸式ic卡領(lǐng)域中，該類卡是通過ic卡讀寫設(shè)備的觸點與ic卡的觸點接觸后進行數(shù)據(jù)的讀寫。國際標準iso7816對此類卡的機械特性、電器特性等進行了嚴格的規(guī)定。這種類型的產(chǎn)品是通過直接電路接觸方式來完成信息的讀寫，速度較慢，但安全保密性相對較好，多應(yīng)用于金融、電話與保險業(yè)等場合。其大致又可分為以下幾類：1、根據(jù)ic卡鑲嵌的芯片的不同劃分（1）存儲卡：卡內(nèi)芯片為電可

18、擦除可編程只讀存儲器eeprom（electrically erasable programmable read-only memory），以及地址譯碼電路和指令譯碼電路。為了能把它封裝在0.76mm的塑料卡基中，特制成0.3mm的薄型結(jié)構(gòu)。存儲卡屬于被動型卡，通常采用同步通信方式。它能提供數(shù)據(jù)存儲功能，卡內(nèi)含有電子可擦除只讀存儲器（e2rom）及其控制電路，但無加密邏輯功能，缺乏安全保護，主要應(yīng)用于對數(shù)據(jù)保密要求不高的領(lǐng)域。這種卡片存儲方便、使用簡單、價格便宜，在很多場合可以替代磁卡。但該類ic卡不具備保密功能，因而一般用于存放不需要保密的信息。例如醫(yī)療上用的急救卡、餐飲業(yè)用的客戶菜單卡。常

19、見的存儲卡有atmel公司的at24c16、at24c64等。（2）邏輯加密卡：該類卡片除了具有存儲卡的eeprom外，還帶有加密邏輯，每次讀/寫卡之前要先進行密碼驗證。如果連續(xù)幾次密碼驗證錯誤，卡片將會自鎖，成為死卡。從數(shù)據(jù)管理、密碼校驗和識別方面來說，邏輯加密卡也是一種被動型卡，采用同步方式進行通信。它由加密邏輯控制電路和（e2rom）組成，具有數(shù)據(jù)存儲功能和數(shù)據(jù)加密操作控制。此類卡僅是簡單的密碼認證，其中密碼固定。在密碼認證過程中，外界可以截取密碼使系統(tǒng)破解。也有設(shè)計者將卡內(nèi)所寫數(shù)據(jù)自加密，以增加保密性，但皆有跡可尋。適用于需要保密，但保密要求不很高的場合。該類卡片存儲量相對較小，價格相

20、對便宜，適用于有一定保密要求的場合，如食堂就餐卡、電話卡、公共事業(yè)收費卡。常見的邏輯加密卡有siemens公司的sle4442、sle4428，atmel公司的 at88sc1608等。（3）cpu卡：也稱智能卡，該類芯片內(nèi)部包含微處理器單元（cpu）、存儲單元（包括隨機存儲器ram、程序存儲器rom（flash）、用戶數(shù)據(jù)存儲器 eeprom）、和輸入/輸出接口單元。其中，ram用于存放運算過程中的中間數(shù)據(jù)，rom中固化有片內(nèi)操作系統(tǒng)cos（card operating system），而eeprom用于存放持卡人的個人信息以及發(fā)行單位的有關(guān)信息。不僅具有數(shù)據(jù)存儲功能，同時具有命令處理和數(shù)據(jù)

21、安全保護等功能。cpu管理信息的加/解密和傳輸，嚴格防范非法訪問卡內(nèi)信息，發(fā)現(xiàn)數(shù)次非法訪問，將鎖死相應(yīng)的信息區(qū)（也可用高一級命令解鎖）。其保密性極強，卡與設(shè)備間數(shù)據(jù)傳輸皆加密。每次卡認證皆生成臨時密鑰進行處理，即使外界截取大量數(shù)據(jù)也無法破解密碼，可真正實現(xiàn)電子錢包使系統(tǒng)無需聯(lián)網(wǎng)。cpu卡的容量有大有小，價格比邏輯加密卡要高。但cpu卡的良好的處理能力和上佳的保密性能，使其成為ic卡發(fā)展的主要方向。cpu卡適用于保密性要求特別高的場合，如金融卡、軍事密令傳遞卡等。國際上比較著名的cpu卡提供商有g(shù)emplus、g&d、schlumberger等。（4）超級智能卡：在cpu卡的基礎(chǔ)上增加鍵盤，液晶

22、顯示器，電源，即成為一超級智能卡，該種卡不僅帶有微處理器和存儲器，而且還帶液晶顯示屏和微型鍵盤,有的卡上還具有指紋識別裝置等。visa國際信用卡組織試驗的一種超級卡即帶有20個鍵，可顯示16個字符，除有計時，計算機匯率換算功能外，還存儲有個人信息、醫(yī)療、旅行用數(shù)據(jù)和電話號碼等。2、根據(jù)ic卡與外界進行交換是的數(shù)據(jù)傳輸方式不同劃分（1） 串行ic卡：ic卡與外界進行數(shù)據(jù)交換時，數(shù)據(jù)流按照串行方式輸入輸出，電極觸點較少，一般為6個或者8個。由于串行ic卡接口簡單、使用方便，目前使用量最大。國際標準iso7816所定義的ic卡就是此種卡。（2） 并行ic卡：ic卡與外界進行數(shù)據(jù)交換時以并行方式進行，

23、有較多的電極觸點，一般在28到68之間。主要具有兩方面的好處，一是數(shù)據(jù)交換速度提高，二是現(xiàn)有條件下存儲容量可以顯著增加。3、根據(jù)ic卡的應(yīng)用領(lǐng)域不同劃分（1）金融卡：也稱為銀行卡，又可以分為信用卡和現(xiàn)金卡兩種。前者用于消費支付時，可按預(yù)先設(shè)定額度透支資金；后者可作為電子錢包或者電子存折，但不能透支。（2）非金融卡：也稱為非銀行卡，涉及范圍十分廣泛，實際包含金融卡之外的所有領(lǐng)域，諸如電信、旅游、教育和公交等等。（五）ic卡應(yīng)用系統(tǒng)的基本組成與制造過程圖示圖1為ic卡用卡裝置（獨立或聯(lián)網(wǎng)）管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖2為ic卡制造流程圖。圖2 ic卡制造過程二、ic卡的安全問題（一）概述在i

24、c卡普遍應(yīng)用于人們生活的同時，其安全問題尤為重要。我們研究的ic卡相關(guān)安卡問題包含：密碼安全，數(shù)據(jù)安全，數(shù)據(jù)完整性和處理過程安全。（二）數(shù)據(jù)加密數(shù)據(jù)加密的目的在于防范ic卡的數(shù)據(jù)被非法改寫或通信過程中數(shù)據(jù)被截獲讀取。這里所說的數(shù)據(jù)改寫是指無密碼保護或密碼被破解后的數(shù)據(jù)改寫。1.密碼學(xué)簡介密碼學(xué)分為兩個部分：加密學(xué)和解密學(xué)。在進行加密算法過程中常用的運算有替代（substitution），置換（transposition），異或（xor）。明文：為加密的數(shù)據(jù)；加密：用一個密碼算法結(jié)合密鑰對明文進行處理的過程；密文：處理后得到的結(jié)果；密鑰：如同以用于開鎖的一把鑰匙，密鑰是一個數(shù)據(jù)按照密碼算法對明文

25、處理后得到密文，或?qū)γ芪奶幚砗蟮玫矫魑模唤饷埽簩⒚芪倪M行處理后得到明文的過程。2.des算法數(shù)據(jù)加密的標準des（data encryption standard）算法是由ibm公司在70年代研究出的一種分組密碼算法，是一個迭代分組密碼。des算法于1976年11月被美國政府采用，隨后被美國國家標準局承認并作為標準的加密解密算法而大量采用。des算法的入口參數(shù)有三個：key:密鑰，8字節(jié)（64bit）；data:待加密或待解密的數(shù)據(jù)，8字節(jié)（64bit）；mode:工作方式只有兩種情況，加密或解密。ip置換的具體做法是，將輸入的第58位換到第一位，第50位換到第2位，依此類推，最后一位是原來的

26、第七位。l0、r0則是ip置換后輸出的兩部分，l0是輸出的左32位，r0是右32位。例如，設(shè)ip置換前的輸入值為：bit 1bit2 bit3 bit64，經(jīng)過ip置換后的輸出為：l0=bit58bit50bit8；r0=bit57bit49bit7。 圖圖3 加密過程 ip-1置換正好是ip置換的逆運算。f函數(shù)由四個處理過程組成：e擴展置換，異或運算，s代替，p置換圖4 f函數(shù)的四個處理過程組成e擴展置換是將32bit的輸入通過置換與擴展轉(zhuǎn)化為48bit的輸出。s替代選擇過程是將48bit的數(shù)據(jù)輸入，經(jīng)過替代選擇最終產(chǎn)生32bit的輸出。p置換是將8個s盒輸出的共32bit的數(shù)據(jù)經(jīng)過p置換，

27、產(chǎn)生32bit的輸出。圖5 子密鑰ki-1生成des算法的解密過程基本相同，區(qū)別在于：（1）第一次迭代是用子密鑰k16，第二次k15，最后一次用k1；（2）將ip轉(zhuǎn)換與ip-1置換的使用位置互換。加密過程rsa算法1977年，rivest、sharmir和adelman三人一起提出了第一個比較完善也是應(yīng)用最廣的公鑰密碼體制，以三人名字的字頭命名，即rsa算法。3.rsa算法由于rsa加密算法是指數(shù)運算，因此密鑰越大計算速度越慢。通常rsa算法比des算法慢1000倍。（三）數(shù)據(jù)安全問題及措施1.密碼安全及存儲數(shù)據(jù)安全同一系統(tǒng)中的每張ic卡的密碼各不相同，一張ic卡對應(yīng)一個密碼。密碼核對正確前，

28、全部數(shù)據(jù)可讀不可寫。密碼核對正確后可寫入或修改數(shù)據(jù)，修改密碼。錯誤計數(shù)器，初始值為3，密碼核對出錯1次，便減1，若計數(shù)器值為0，則卡自動鎖死，數(shù)據(jù)只可讀出，不可再進行更改也無法再進行密碼核對；若不為零時，有一次密碼核對正確，可恢復(fù)到初始值3。寫保護區(qū)（前32個字節(jié)）的每一字節(jié)可單獨進行寫保護，進行寫保護后，內(nèi)容不可再更改（即固化數(shù)據(jù)）。存儲數(shù)據(jù)的安全首先是靠密碼，如果存在密碼被攻破的可能，就需要考慮采用數(shù)據(jù)加密算法對存儲數(shù)據(jù)加密。加密算法已經(jīng)字上一節(jié)介紹，使用時應(yīng)酌情選用，因為采用加密算法之后，將會導(dǎo)致系統(tǒng)處理時間的延長。2.數(shù)據(jù)的完整性影響數(shù)據(jù)的完整性因素包括：電源因素，電磁干擾因素，人為因

29、素和數(shù)據(jù)校驗。特別是作為電子貨幣的ic卡，其中記錄了大量的重要信息，安全性是很重要的，因此ic卡應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)過程中必須為ic卡系統(tǒng)提供合理有效的安全措施，以保證ic卡及其應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全。造成影響ic卡及應(yīng)用系統(tǒng)安全的主要方式有：使用用戶丟失或被竊的ic卡，冒充合法用戶進入應(yīng)用系統(tǒng)，獲得非法利益；用偽造的或空白卡非法復(fù)制數(shù)據(jù)，進入應(yīng)用系統(tǒng)；使用系統(tǒng)外的ic卡讀寫設(shè)備，對合法卡上的數(shù)據(jù)進行修改，改變操作級別等；在ic卡交易過程中，用正常卡完成身份認證后，中途變換ic卡，從而使卡上存儲的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)中不一致；在ic卡讀寫操作中，對接口設(shè)備與ic卡通信時所作交換的信息流進行截聽，修改，甚至插入非法信

30、息，以獲取非法利益，或破壞系統(tǒng)。常用的安全技術(shù)有: 身份鑒別和ic卡合法性確認，報文鑒別技術(shù)，數(shù)據(jù)加密通訊技術(shù)等。這些技術(shù)采用可以保證ic卡的數(shù)據(jù)在存儲和交易過程中的完整性，有效性和真實性，從而有效地防止對ic卡進行非法讀寫和修改。總體上，ic卡的安全包括物理安全和邏輯安全兩方面：（1）物理安全。物理安全包括：ic卡本身的物理特性上的安全性，通常指對一定程度的應(yīng)力、化學(xué)、電氣、靜電作用的防范能力；對外來的物理攻擊的抵抗能力，要求ic卡應(yīng)能防止復(fù)制、竄改、偽造或截聽等。常采用的措施有：采用高技術(shù)和昂貴的制造工藝，使無法偽造；在制造和發(fā)行過程中，一切參數(shù)嚴格保密；制作時在存儲器外面加若干保護層，防

31、止分析其中內(nèi)容，即很難破譯；在卡內(nèi)安裝監(jiān)控程序，以防止處理器或存儲器數(shù)據(jù)總線和地址總線的截聽。（2）邏輯安全。常用的邏輯安全措施有：存儲器分區(qū)保護，一般將ic卡中存儲器的數(shù)據(jù)分成3個基本區(qū)：公開區(qū)、工作區(qū)和保密區(qū)；用戶鑒別，用戶鑒別又叫個人身份鑒別，一般有驗證用戶個人識別pin，生物鑒別，手寫簽名。下面簡單介紹生物鑒別技術(shù)中的一種指紋識別技術(shù)：指紋識別技術(shù)是利用指紋唯一、不變、不可偽造、隨身攜帶等的特點和ic卡作為個性化數(shù)據(jù)載體及大容量內(nèi)存的優(yōu)勢，既實現(xiàn)了人物合一的真實身份認證，又滿足了各種應(yīng)用系統(tǒng)對數(shù)據(jù)載體卡片化、脫機化的需求，是用軟硬結(jié)合方式確保信息安全可靠實用的途徑。用ic卡保存指紋特征

32、數(shù)據(jù)、使用人員信息、私鑰等關(guān)鍵信息、通過指紋識別認證持卡人真實身份，解決網(wǎng)絡(luò)信息安全瓶頸最有效的手段，是對信息安全(軟件) 認證、密鑰體系最有效的補充。根據(jù)需要將指紋信息儲存在ic卡內(nèi)，通過輸入用戶的活體指紋信息與卡內(nèi)的指紋資料進行比對，實現(xiàn)用戶真實身份的認證及ic卡的各種應(yīng)用。亦可將指紋資料儲存在計算機或網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi)，通過輸入用戶的活體指紋信息與儲存的指紋信息資料進行比對，實現(xiàn)用戶真實身份的認證，具有很大的靈活性。指紋ic卡鑒別技術(shù)可廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)庫管理、電子商務(wù)與電子支付中的權(quán)限設(shè)置、數(shù)據(jù)存取、密鑰管理等。包括計算機系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)、電子商務(wù)系統(tǒng)、政府、企業(yè)局域網(wǎng)系統(tǒng)中管理員的身份認證

33、以及金融、保險、證券等行業(yè)重要系統(tǒng)及部門職員的授權(quán)管理，證券交易所、信用卡用戶、保險受益人的身份認證以及安防業(yè)等應(yīng)用。三、硬件原理（一）i2c總線1. i2c總線的特點i2c總線的特點是：接口線數(shù)少，支持多主控工作方式。i2c總線協(xié)議是philips公司推出的總線協(xié)議，是多主機總線，提高2根線（sda-aserial data line, scl-a serial clock line）與連接到總線上的器件之間傳送信息根據(jù)地址識別每個器件。例如：微控制器、lcd驅(qū)動器、存儲器、鍵盤，連接的器件可以工作在發(fā)送和（或）接收狀態(tài)。2. i2c總線的構(gòu)成及信號類型i2c總線的構(gòu)成：數(shù)據(jù)線sda和時針線

34、scl。圖6（1） 典型的i2c總線結(jié)構(gòu) 圖6（2） i2c總線的器件連接3i2c總線傳送數(shù)據(jù)信號類型：開始信號，終止信號和應(yīng)答信號。圖7 i2c總線傳輸信號 圖8 i2c總線上的數(shù)據(jù)位傳送4. i2c總線的基本操作i2c總線上只具有sol（時鐘）和sda（數(shù)據(jù)）2根信號線。如果是單純的串行傳輸，一旦因為某種原因造成引腳的偏差，則可能會造成不能區(qū)分總線上傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)還是地址信息的后果。解決上述問題的簡單辦法就是附加獨立于總線的reset（復(fù)位）信號，由主機控制該信號。因為i2c至少利用2根線進行所有的操作，因此在數(shù)據(jù)傳輸時，通常當scl為低電平時，設(shè)置下一個數(shù)據(jù)；當sda變化后，sci為高電平

35、，這可以解釋為一連串操作的開始結(jié)束。(1)起始條件起始條件表示一系列操作的開始。圖9表示起始條件以及隨后數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始操作。在i2c總線的空閑狀態(tài)下，sda及scl通過上拉電阻都為高電平。在這樣的狀態(tài)下，如果scl仍保持高電平，而sda變?yōu)榈碗娖?則成為開始指令。圖9 i2c總線起始條件由于該狀態(tài)并不出現(xiàn)于地址及數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收過程中，因此，即使在途中發(fā)生異常，只要檢測出該狀態(tài)，初始化內(nèi)部的狀態(tài)機，就可以使其恢復(fù)。(2)結(jié)束條件在一系列操作的最后是結(jié)束條件。結(jié)束條件如圖10所示。當sol為高電平時，一旦sda由低電平變化為高電平，即成為結(jié)束條件，主機與器件之間的通信將停止，器件恢復(fù)為空閑狀態(tài)。

36、進行寫操作時的結(jié)束狀態(tài)是開始進行eeprom內(nèi)部單元寫操作的指示標志。圖10 i2c總線結(jié)束條件結(jié)束前所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是acknoack的狀態(tài)位，如果是ack，則該狀態(tài)位為低電平。但如果發(fā)生某種錯誤時，則表示為noack的高電平。讀操作時的最后字節(jié)是主機向器件返回noack信息，所以sda為高電平。這樣就不能形成結(jié)束條件所需要的sda的上升沿，因此在結(jié)束之前需要加入啞元“0”數(shù)據(jù)位作為解決辦法。在最終數(shù)據(jù)的ack noack之后，主機通過下述的流程，形成結(jié)束條件，如下所述：scl變?yōu)榈碗娖剑籹da變?yōu)榈碗娖?；sol變?yōu)楦唠娖剑òl(fā)送啞元數(shù)據(jù)）；sda變?yōu)楦唠娖剑ńY(jié)束條件）。(3)數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧?/p>

37、程如圖11所示。除去開始與結(jié)束條件，在傳輸包含地址指定等數(shù)據(jù)時，能夠使sda發(fā)生變化的條件只能是在sol為低電平時。因此，總線操作以如下的步驟進行： scl變?yōu)榈碗娖剑?為sda設(shè)置數(shù)據(jù)（主機或者器件）； scl變?yōu)楦唠娖?。進行數(shù)據(jù)讀操作時，主機在sol恢復(fù)為高電平之前讀取數(shù)據(jù)。圖11 i2c總線的數(shù)據(jù)傳輸（二）西門子sle4442邏輯加密卡為了保證ic卡數(shù)據(jù)的安全性，避免ic卡內(nèi)的數(shù)據(jù)被非法修改，ic卡制造商在存儲卡的基礎(chǔ)上增加了邏輯加密的保護功能，用以某些訪問的限制。例如本設(shè)計使用siemens公司的sle4442就有對數(shù)據(jù)修改的限制。1.sle4442邏輯加密卡的主要特點sle4442是

38、siemens公司制造的邏輯加密存儲卡，總?cè)萘繛?56字節(jié)。密碼校驗通過之后，才可以對卡進行寫操作；但讀卡操作沒有密碼的限制。2.sle4442邏輯加密卡的存儲區(qū)安排圖12 儲存區(qū)分配3.sle4442邏輯加密卡的操作時序 sle4442共有4種操作時序，即復(fù)位與復(fù)位應(yīng)答、命令模式、輸出數(shù)據(jù)模式和處理數(shù)據(jù)模式。通信協(xié)議符合i2c總線。4.sle4442邏輯加密卡的命令及相關(guān)函數(shù) 卡片存儲區(qū)內(nèi)的起始地址是0x20，出廠密碼是ffffff，其相關(guān)函數(shù)如下： 寫操作函數(shù)： swr_4442() （1） 讀操作函數(shù)： srd_4442() （2） 測卡型函數(shù)： chk_4442() （3） 效驗密碼函

39、數(shù)： csc_4442() （4） 讀取密碼函數(shù)： rsc_4442() （5） 更改密碼函數(shù)： wsc_4442() （6） 讀密碼錯誤計數(shù)： rsct_4442() （7） 寫保護位函數(shù)： pwr_4442() （8） 讀保護位函數(shù)： prd_4442() （9） （三）ic卡座ic卡讀/寫器各部分結(jié)構(gòu)與功能簡單介紹如下：1ic卡卡座一般都使用ic卡座。按接觸式卡座類型可分為摩擦式和下壓式兩大類。ic卡卡座是連接ic卡與讀寫器的。其功能包括對ic卡供電，提供讀寫信號和傳送數(shù)據(jù)。要求提供方便的插拔方式和可靠的接觸，并帶有帶電插拔，過流保護，插卡檢測等能力。ic卡和插座的結(jié)構(gòu)尺寸必須符合國際標

40、準化組織（iso）7816的標準。對觸電數(shù)目、位置、信號名稱和功能都有明確規(guī)定，以保證兼容性。其中：c1（vcc）為電源；c2（rst）復(fù)位信號；c3（clk）時鐘脈沖；c4（rfu）待用；c5（gnd）接地端；c6（vpp）編程電壓，用于對eeprom編程；c7（i/o）數(shù)據(jù)輸入輸出端；c8（rfu）待用。有些系統(tǒng)中ic卡的c4和c8未用，可見卡上僅用六個觸點，本設(shè)計sle4442系列ic卡是西門子公司生產(chǎn)的加密存儲ic芯片，256*8 bit eeprom 字節(jié)直接尋址；低地址前32字節(jié)可進行寫保護（固化）操作；其容量為256 byte，密碼核對正確后可對卡進行讀、寫操作，3字節(jié)用戶密碼，

41、密碼錯誤計數(shù)3次；5v低壓供電，最大供電電流20 ma；雙向數(shù)據(jù)傳送；支持ios/iec7816-3同步協(xié)議；寫/擦次數(shù)100,000次；數(shù)據(jù)保存期10年。sle4442系列ic卡的引出端符合iso/iec7816-3標準。c2、c6、c4、c8：nc，未接。把芯片封裝在一個卡片上，將卡片插入ic卡讀寫器的卡座中，讀寫器就可以對它進行讀寫，實現(xiàn)加密、查詢、存款、取款等功能。ic卡座有8個引腳，當sle4442卡插入時，正好同這幾個引腳相連。另外還有兩個固定端，其中一個固定端同卡座上一個彈簧片相連，兩個觸點和簧片就相當于一個常閉開關(guān)。當卡未插入時，簧片閉合，p3.2腳保持低電平；當卡插入時，簧片

42、被頂開，p3.2腳變?yōu)楦唠娖健．攩纹瑱C檢測到p3.2腳變高，通過p1.3 使x76f100的rst引腳變高，使其復(fù)位。2.單片機和存儲器讀寫器中配備單片機和rom，ram存儲器，構(gòu)成微機系統(tǒng)，單片機運行rom中固化的軟件，執(zhí)行與ic卡和上位pc機的通信規(guī)程?？刂茖c卡的讀寫，完成ic卡與主機間數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換。為減輕單片機負擔(dān)，提高讀寫速度，常配置有硬件密文轉(zhuǎn)換和單元。3.接口電路和外圍設(shè)備通用讀寫器一般與pc機或網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機工作，常用標準并行或串行口與上位機連接和通訊。常用的是帶有25芯或者9芯插口的rs232-c型串行接口，可直接接到pc機的com1或com2上。此時，可利用主機的顯示器作監(jiān)視

43、器，主機鍵盤作控制和輸入，利用主機打印機輸出。此時主機與讀寫器組成了ic卡應(yīng)用與開發(fā)系統(tǒng)，操作與一般微機相仿，但用戶界面將隨所配軟件而有很大不同。四、讀寫器的硬件設(shè)計（一）ic卡讀寫器的電原理圖圖13 ic卡及讀寫器硬件原理圖圖13為ic卡及其讀寫器硬件電路圖。其中讀寫器由單片機、鍵盤、顯示、監(jiān)控電路等部分組成。ic卡采用siemens公司的sle4442邏輯加密卡。單片機采用lg公司的gms97c52。它有8k字節(jié)的rom，256個字節(jié)的ram以及32個i/o口，p1口與串行器件x25045和x76f100連接，p0、p2口用于鍵盤和顯示，p3口中p3.2用于檢測ic卡是否插入，其余7個口，

44、可作其它功能擴充。1鍵盤電路為了方便，鍵盤接口電路用i/o口實現(xiàn)，它為44結(jié)構(gòu)，16個鍵。其中數(shù)字鍵11個，功能鍵4個，回車鍵1個。數(shù)字鍵：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、（退格）。功能鍵：查詢？、存儲+、取款、改密碼* 。查詢？：用戶通過讀密碼可以查詢卡中所存的款額。存款+ ：用戶通過寫密碼可以將款存入卡中。取款：用戶通過寫密碼可以從卡中取款。改密碼*：分為修改讀密碼和寫密碼。為方便起見，令讀密碼和寫密碼一致，按此鍵將同時修改讀密碼和寫密碼?；剀囨I：8位密碼或存取款數(shù)輸入完確認，以及新密碼輸入完確認。2顯示電路顯示部份采用led顯示器，也用i/o口實現(xiàn)。用于顯示系統(tǒng)狀態(tài)、輸入的密碼或

45、所要存取的款額以及出錯信息等。 由于gms97c52的驅(qū)動電流有限，在p0、p2口加反向器sn74f04，增加驅(qū)動能力。它的吸入電流為64ma，輸出電流為15ma，可以保證位選所需的吸入電流。（二）電路原理1.ic卡的上/下電的控制要實現(xiàn)之，需對pcr進行寫操作。其中start=pcr.0，rstin=pcr.2，vup上升表示激活了tda8007中的電壓轉(zhuǎn)換電路。當start置高時，只要能檢測到選定卡槽中的ic卡存在，且沒有tda8007能檢測到并在hsr中指示的硬件錯誤出現(xiàn)，則對應(yīng)ic卡接口的vcc1或vcc2將能被提供響應(yīng)的電平（5v、3v或1.8v）。隨后對應(yīng)卡的i/o數(shù)據(jù)線被置成高狀

46、態(tài)（z狀態(tài)），給ic卡提供設(shè)定的時鐘信號，常用為3.5712mhz。大約在start置高108etu后，rstin置高。因為rst為rstin的拷貝，則對應(yīng)卡的rst被置高。然后，用tda8007提供的定時器tor3、tor2設(shè)定對atr（answer to request）即復(fù)位應(yīng)答首字節(jié)的最大等待時間120etu（element time unit），toc設(shè)定定時器工作方式，便開始等待atr首字節(jié)到來后做相應(yīng)處理。至此，ic卡上電激活工作完成，隨后可以根據(jù)atr字節(jié)的要求的工作方式對ic行相應(yīng)的讀寫處理。圖14為上電結(jié)構(gòu)框圖，具體見上電程序。圖14 ic卡的上電結(jié)構(gòu)框圖tda8007產(chǎn)生

47、滿足iso 7816標準訴ic卡上電激活時序，tda8007寄存器訪問的預(yù)定義:#include#define xxx xbyte0x8000/xxx表示csr等各寄存器上電程序如下：p1.5=0; /片選tda8007csr&=0xf8；csr|=ncard; /選擇卡，ncard=1,2csr&=0xf7；csr|=0xf7;csr|=0x08; /復(fù)位uart的寄存器ucr2&=0xf7； /異步模式，san=0ccr&=0xdf； /時鐘停止于低電平ucr2|=0x60; /關(guān)閉附加中斷及收發(fā)中斷gtr=0xff; /保持時間12etuif(v=1) /v為函數(shù)變量pcr|=0x08;

48、 /1.8v卡用else if(v=3)pcr|=0x02; /3v卡用elsepcr&=0xfd; /5v卡用ucr2&=0xfc; /cku=psc=0,-31fcr=0x00; /1奇偶校驗1fifopdr=0x0c; /divider=12ccr=0x00; /不分頻pcr&=0xfb; /rstin=0ucr2|=0x04; /不自動轉(zhuǎn)換ucr1=0x01; /正向約定ucr1&=0xf7； /接收模式flag3=0; /復(fù)位定時標志flagatr=0; /接收atr首字節(jié)定時標志pcr|=0x01; /激活tor2=0x6c;tor3=0x00;toc=0x61; /rst拉高前等

49、待108etuwhile(flag3=0)； /定時時間到，在中斷中設(shè)置flag3=1toc=0x00； /關(guān)閉定時器pcr|=0x04; /給復(fù)位拉高tor2=0x78;tor3=0x00;toc=0x61; /rst拉高前等待flagatr=1;atr(); /復(fù)位應(yīng)答處理函數(shù)相對于上電時序，下電過程對時間的要求不是很嚴格，只要控制tda8007按照一定的順序置低start、rstin和停止clk即可，然后tda8007會自動逐步釋放rst、i/o、vcc及vup。具體處理見下電程序。下電程序：p15=0；pcr&=0xfe; /start=0；下電pcr&=0xfb; /卡的復(fù)位腳保持0

50、ccr&=0xdf； /停止時鐘于低ccr|=0x10; /停止時鐘p15=1；2.通信接口的實現(xiàn)與原理ic卡讀寫器是ic卡與應(yīng)用系統(tǒng)間的橋梁，在iso國際標準中稱之為接口設(shè)備ifd(interface device)。ifd內(nèi)的cpu通過一個接口電路與ic卡相連并進行通信。ic卡接口電路是ic卡讀寫器中至關(guān)重要的部分，根據(jù)實際應(yīng)用系統(tǒng)的不同，可選擇并行通信、半雙工串行通信和i2c通信等不同的ic卡讀寫芯片。 ic卡讀寫器要能讀寫符合iso7816標準的ic卡。ic卡接口電路作為ic卡與ifd內(nèi)的cpu進行通信的唯一通道，為保證通信和數(shù)據(jù)交換的安全與可靠，其產(chǎn)生的電信號必須滿足特定要求。ic卡

51、接口電路對ic卡插入與退出的識別，即卡的激活和釋放，有很嚴格的時序要求。如果不能滿足相應(yīng)的要求，ic卡就不能正常進行操作；嚴重時將損壞ic卡或ic卡讀寫器。激活過程為啟動對卡的操作，接口電路應(yīng)按圖所示順序激活電路：rst處于l狀態(tài)；選擇卡的類型，對vcc加電；vpp上升為空閑狀態(tài)；接口電路的i/o應(yīng)置于接收狀態(tài)；向ic卡的clk提供時鐘信號。在ta時間對ic卡的clk加時鐘信號。i/o線路應(yīng)在時鐘信號加于clk的200個時鐘周期(ta)內(nèi)被置于高阻狀態(tài)z(ta 時間在ta之后)。時鐘加于clk后，保持rst為狀態(tài)l至少400周期(tb)使卡復(fù)位(tb在ta之后)。在時間tb，rst被置于狀態(tài)h

52、。i/o上的應(yīng)答應(yīng)在rst上信號上升沿之后的40040 000個時鐘周期(tc)內(nèi)開始(tc在tb之后)。在rst處于狀態(tài)h的情況下，如果應(yīng)答信號在40 000個時鐘周期內(nèi)仍未開始，rst上的信號將返回到狀態(tài)l，且ic卡接口電路對ic卡產(chǎn)生釋放。當信息交換結(jié)束或失敗時(例如，無卡響應(yīng)或卡被移出)，接口電路應(yīng)釋放電路：rst應(yīng)置為狀態(tài)l；clk應(yīng)置為狀態(tài)l(除非時鐘已在狀態(tài)l上停止)；vpp應(yīng)釋放(如果它已被激活)；i/o應(yīng)置為狀態(tài)a(在td時間內(nèi)沒有具體定義)；vcc應(yīng)釋放。五、系統(tǒng)軟件設(shè)計（一）軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計通信方式為并行通信的cts56i01，cst56i01只有3根地址線，內(nèi)部卻有37個寄

53、存器。其中有8個寄存器可以直接訪問，另外的29個寄存器要通過索引地址寄存器(iar)來訪問。其訪問分為兩步：第一步是將要間接訪問的寄存器的地址寫到iar寄存器中；第二步就是從數(shù)據(jù)寄存器(dr)中讀出數(shù)據(jù)或?qū)懭霐?shù)據(jù)到dr寄存器中，來完成對要間接訪問的寄存器的訪問。下面的c51子程序是寫一個字節(jié)到要間接訪問的寄存器中的子程序。#define sn2_iar xbyte0x0000#define sn2_dr xbyte0x0100void writebyteindexed(byte bindex, byte bdata) p1.0=0;sn2_iar = bindex;sn2_dr = bdata

54、;watchcore的軟件設(shè)計是不帶硬件的uart，其串行通信是用軟件實時仿真的。通信速度采用9600bps；通信字節(jié)格式為1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位偶校驗位，2位停止位。txd與rxd電氣信號是標準的cmos電平，可直接與ttl的電路相連。以下是通信時的數(shù)據(jù)包格式。(1)命令包是ic卡讀寫器內(nèi)的cpu發(fā)往watchcore的數(shù)據(jù)，其包格式如下：nad為卡頭選擇， nad=0x00/0x12為主卡頭，nad=0x13為從卡頭；pcb與通信無關(guān)，cpu卡t=1時使用，pcb通常設(shè)置為0x00；len為數(shù)據(jù)的字節(jié)長度(僅data段的字節(jié)數(shù))；data為發(fā)送wactchcore或ic卡內(nèi)的命令(命

55、令參考iso7816-4的標準)；bcc為異或校驗字節(jié)(bcc段前的4段所有字節(jié)的異或和)。(2)數(shù)據(jù)包是watchcore 收到命令包后返回的數(shù)據(jù)，其包格式如下：nad* 是watchcore把命令包中nad字節(jié)的高低4位互換后的返回。其它各段與命令包相同。tda8020的軟件設(shè)計。tda8020與ifd內(nèi)cpu的通信是用i2c總線方式進行的。通過i2c接口，ifd內(nèi)的cpu可以向tda8020發(fā)送命令或讀取tda8020的狀態(tài)。tda8020有兩個地址選擇引腳(sad0和sad1)。在圖3中，這兩個地址選擇引腳接地，對應(yīng)兩個ic卡的i2c總線地址分別是40h和48h。如果系統(tǒng)中有別的i2c總線器件，可以按表1的方式進行尋址。sad1sad0card1card20040h48h0142h4ah1046h4ch1148h4eh表1 tda8020的i2c地址選擇向tda8020寫入