邏輯加密存儲卡芯片AT88SC1604卡的應用

文章出處：http://m.botanicstilllife.com 作者：北京長空機械有限責任公司 秦嚴定 王麗霞   人氣： 發(fā)表時間：2011年09月15日

　　前言

　　IC卡按結(jié)構(gòu)劃分，可分為存儲器卡和微處理器卡（CPU card）兩大類。邏輯加密卡與普通存儲卡相比，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復雜，其存儲區(qū)可以分成卡片設置區(qū)和應用區(qū)?？ㄆO置區(qū)內(nèi)存放與卡片廠商及發(fā)卡者相關代碼和卡片密碼；應用區(qū)又可以根據(jù)需要分為不同的分區(qū)。邏輯加密卡的安全性相對較高，體現(xiàn)在：卡片設立主密碼、每個應用分區(qū)具有各自獨立的操作密碼。邏輯加密卡主要控制作用是：對數(shù)據(jù)存儲區(qū)開放/關閉的控制；對數(shù)據(jù)存儲區(qū)讀/寫的控制；對數(shù)據(jù)存儲區(qū)擦除操作的控制以及對密碼校驗和錯誤次數(shù)計數(shù)及鎖閉功能控制。

　　AT88SC1604卡的工作原理

　　AT88SC1604是由美國ATMEL公司設計的邏輯加密存儲卡芯片。它具有15704位的存儲容量，是目前邏輯加密存儲卡中容量較大的一種產(chǎn)品芯片。

　　芯片特點

　　(1) AT88SC1604芯片屬于單存儲器多邏輯分區(qū)結(jié)構(gòu)。主存儲器除劃分了特定的標志數(shù)據(jù)區(qū)和控制數(shù)據(jù)區(qū)之外，還將應用數(shù)據(jù)區(qū)分成四個完全隔離的子區(qū)，并在每個子區(qū)中配備了各自的讀、寫控制標志和寫入/擦除密碼以及密碼輸入錯誤計數(shù)器等邏輯控制。

　　(2) 芯片為串行傳輸方式，并滿足ISO7816-3同步傳輸協(xié)議。

　　(3)芯片采用低功耗的CMOS工藝制造，每字位的讀取時間為 s，寫周期為5ms。

　　(4) 芯片內(nèi)部的存儲單元具有至少10000次的擦除/改寫循環(huán)次數(shù)。數(shù)據(jù)保存期為10年。

　　芯片存儲分區(qū)結(jié)構(gòu)及定義

　　AT88SC1604芯片分為制造商代碼區(qū)、發(fā)行商代碼區(qū)、用戶安全密碼區(qū)、用戶密碼比較計數(shù)區(qū)、個人代碼區(qū)以及四個應用區(qū)。每個應用區(qū)都由密碼區(qū)，密碼比較計數(shù)區(qū)，擦除密碼區(qū)和擦除密碼比較計數(shù)區(qū)、應用數(shù)據(jù)區(qū)和存儲器測試區(qū)組成。

　　(1) 制造商代碼區(qū)(FZ)

　　該區(qū)里記錄的卡芯片生產(chǎn)商的特定信息(例如:生產(chǎn)批號、日期、以及特別制定的特征代碼)，由制造商在芯片出廠前寫入。在控制本區(qū)的熔絲(FUSHl)沒有熔斷時，該區(qū)的存儲單元可以象普通的EEPROM存儲單元一樣進行擦除和改寫。一旦熔絲熔斷，所寫入的制造商代碼就不可再更改。

　　(2) 發(fā)行商代碼區(qū)(IZ)

　　該區(qū)用于記錄卡片發(fā)行商的特定信息(例如:發(fā)行批號、日期、地區(qū)范圍編號以及特定用戶編號等特征代碼)。當控制本區(qū)的熔絲沒有熔斷時，該區(qū)的存儲單元內(nèi)容可以自由的擦除或改寫。在個人化處理過程完成之后，控制該區(qū)的熔絲(FUSH2)熔斷，即可將注入的“發(fā)行商代碼”完全固化。這一代碼也是識別卡片的真?zhèn)?，區(qū)分卡片應用類別的重要標識。

　　(3) 個人代碼區(qū)(CPZ)

　　該區(qū)用于存放個人身份標識數(shù)據(jù)。該區(qū)使用上受芯片的“用戶密碼”的保護。當“用戶密碼”比較成功，該區(qū)可讀可寫可擦除?！坝脩裘艽a”比較不成功，該區(qū)只能讀而不能寫入和擦除。

　　(4) 用戶密碼區(qū)(SC)

　　這個密碼區(qū)是整個存儲器的“總控制開關”。使用前，由授權(quán)持卡人預先輸入的一個安全代碼作為“參照字”儲存在這個存儲區(qū)里。使用時，必須輸入一個“校驗密碼”。芯片將輸入的“校驗密碼”與內(nèi)部存儲器的“參照字”一一比較。如果比較結(jié)果一致，IC卡將開放整個芯片儲存器(包括各分區(qū)的控制密碼和各應用數(shù)據(jù)區(qū))。各區(qū)的“安全密碼”區(qū)SCn(n=l，2，3，4)與SC的作用是完全類似的。

　　對于各分區(qū)的密碼區(qū)SCn (n＝1，2，3，4)來說，其比較操作要受到對應“應用區(qū)密碼”比較計數(shù)器(SnAC)的計數(shù)控制。當連續(xù)8次輸入密碼錯誤，SCn將被鎖死。

　　(5) 密碼比較計數(shù)區(qū)(SCAC)

　　該區(qū)對連續(xù)輸入的錯誤密碼的次數(shù)進行累計。當連續(xù)8次不正確的比較操作之后，芯片將被鎖死。芯片被鎖死之后，將拒絕任何的擦除、寫入和比較的操作命令。

　　該區(qū)是8位長，按位寫入方式操作。在芯片初始化時是全“1”狀態(tài)，即讀出值為“FFH”。在每次比較輸入的密碼時，先按從高位到低位的順序找第一個為“1”的位，將此位寫“0”，然后將新輸入的“校驗密碼”與原存儲在SC區(qū)的“參照字”進行比較。比較操作本身由芯片內(nèi)部自行完成，而比較結(jié)果則通過置SV標志來判別，即比較成功時SV被置“1”。比較不成功，SV保持原來的“0”狀態(tài)。在連續(xù)8次比較錯誤過程中每次比較操作之后計數(shù)器的計數(shù)值分別為“7FH”、“3FH”、“1FH”、“0FH”、“07H”、“03H”、“01H”、“00H”。當計數(shù)器為“00H”后，后續(xù)的比較操作命令由于無法在“SCAC”區(qū)中找到一個為“1”的位，因而芯片拒絕繼續(xù)執(zhí)行比較操作。

　　SnAC(n＝1，2，3，4)的作用與SCAC是類似的。操作控制也完全一樣。只是SCAC是限制對SC區(qū)的比較操作。而SnAC則限制對SCn區(qū)的比較操作。SCAC的控制級別最高。當SCAC為“00H”后，芯片內(nèi)部封鎖了對SC區(qū)的比較操作，從而使對SCn的比較也被禁止。如果SCAC為非“00H”值，在對SC區(qū)的比較密碼操作成功之后，SCn能否進行比較操作就由SnAC區(qū)的狀態(tài)值來決定。SnAC區(qū)在連續(xù)8次比較輸入過程中，每次比較操作之后計數(shù)器的計數(shù)值與SCAC的8個值一樣。(即分別為“7FH”、“3FH”、“1FH”、“0FH”、“07H”、“03H”、“OlH”、“00H”)當SnAC為“00H”時，則“應用n區(qū)”將被鎖死。

　　(6)擦除密碼區(qū)(EZn ,n＝l.2,3,4)

　　該區(qū)用于存儲擦除應用區(qū)操作的控制密碼。這些密碼一般由發(fā)行商使用。在個人化處理時輸入的最后一組“擦除密碼”，在芯片熔絲FUSE2熔斷之后將使“擦除密碼”保存在該區(qū)內(nèi)。該區(qū)不再能讀出、寫入和擦除，只能進行比較操作。在使用過程中如需對應用區(qū)進行擦除操作，都必須首先對相應的EZ區(qū)輸送一個“擦除密碼”與之比較，在“擦除密碼比較計數(shù)器”不為“00H”的情況下，如果相比較的兩代碼完全一致，則相應的應用區(qū)的單元允許擦除，否則將禁止執(zhí)行擦除操作。

　　(7) 擦除密碼比較計數(shù)區(qū)(EnAC ,n=l，2，3，4)

　　擦除密碼比較計數(shù)區(qū)的作用與SCAC的作用相類似。它對各應用區(qū)擦除密碼連續(xù)輸入錯誤的次數(shù)進行累計。最多連續(xù)8次不正確的密碼比較之后，該區(qū)所控制的應用區(qū)的擦除操作即被鎖死，從而導致該應用區(qū)有可能成為只讀和允許單次寫入的狀態(tài)。

　　(8) 應用數(shù)據(jù)區(qū)(AZn ，n＝1，2，3，4)

　　該區(qū)主要給用戶使用。用于存儲系統(tǒng)的相關數(shù)據(jù)記錄和卡片標識等信息。應用數(shù)據(jù)區(qū)的寫入與讀出分別由該區(qū)的前兩位Pn和Rn以及SV標志的狀態(tài)控制，擦除操作則由該區(qū)的擦除密碼控制。AT88SC1604設計了四個完全隔離的分區(qū)，其中1至3分區(qū)的單元容量分別是4K位、第4分區(qū)的單元容量為3.6K位。

　　(9) 存儲區(qū)測試區(qū)(MTZ)

　　該區(qū)主要用于芯片生產(chǎn)后對EEPROM單元陣列進行各項性能測試該區(qū)不受任何控制區(qū)狀態(tài)和標志狀態(tài)的保護，允許對這個區(qū)進行讀出、寫人和擦除操作，但不能進行比較操作。

　　應用實例

　　基于上述1604芯片的特點，在石化系統(tǒng)的加油電路設計中，我們利用單片機芯片89C2051與IC卡電路組成一個獨立系統(tǒng)，控制IC卡芯片的各項操作，該系統(tǒng)通過標準RS232通訊接口，與主控制板實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，這種電路設計在硬件方面兼容性較好，只要通過協(xié)調(diào)雙方的IC卡通訊協(xié)議，可與任何帶有RS232接口的控制板或微機相連接。

　　單片機芯片89C2051的6個端口通過IOC卡座與IC卡相連接，P1.2口控制IC卡5V電源的通斷，上電時單片機芯片處于復位狀態(tài)， 6個端口均輸出“1”，IC卡電源處于斷開狀態(tài)，ICSW為IC卡的檢測端，當IC卡插入后，該端口與地相接，P1.3口檢測到IC 卡已插入卡座，即接通IC卡電源，IC卡操作完畢后，切斷IC卡電源，并提示用戶可以拔卡。單片機芯片其他4個端口在接通IC卡電源后，根據(jù)對卡操作的需要，對IC卡進行復位、讀卡、校對密碼、擦卡、寫卡等操作。

　　硬件電路

　　芯片的操作模式時序及設計程序

　　AT88SCl604芯片的操作模式有五種。它們是通過配PGM、RST、CLK等引腳信號及內(nèi)部地址計數(shù)器(IAC)的狀態(tài)組合來實現(xiàn)。

　　(1) 芯片復位操作： AT88SCl604有兩種復位方式:上電復位和控制復位。
上電復位： 上電復位是當芯片加電時的最初狀態(tài)。上電復位屬于芯片

　　內(nèi)部復位。它將使芯片內(nèi)部所有的隱含標志復位到0狀態(tài)。并使地址計數(shù)器復位到0位。

　　控制復位： 當CLK為低時，在RST腳上的一個下降沿將便芯片產(chǎn)生復位操作。控制復位是將地址計數(shù)器復位到0位，而不影響任何內(nèi)部標志的狀態(tài)。

　　注：1）RST為高時禁止計數(shù)

　　2）在CLK端降低之后，延遲一個復位維持時間Trh(min 0.1 s)RST端復位（下降沿），同時地址計數(shù)器清零。地址計數(shù)器清零后延遲一個“數(shù)據(jù)復位有效時間”Tdvr（max 2 s）第0位單元的數(shù)據(jù)被送上I/O線。

FWZCX: CLR ICPGM ;復位子程序
NOP
SETB ICREST
NOP
SETB ICSDA
NOP
CLR ICCLK ;時鐘端清0
NOP
CLR ICREST ;復位端清0
NOP
RET

　?。?）讀出操作： 在進行讀出操作時，必須保證使RST腳和PGM腳同時保持為低。如果對芯片各密碼控制區(qū)進行讀出操作，只能是在FUSE2未熔斷且SV標志“1”時才能進行。

　　如果對芯片各標識數(shù)據(jù)區(qū)進行讀出操作，除FZ和IZ區(qū)外，需要使SV標志置“1”后才能執(zhí)行。

　　如果對芯片各應用數(shù)據(jù)區(qū)進行讀出操作，需要在SV＝1且Rn＝1（n＝1，2，3，4）狀態(tài)下才能執(zhí)行。

　　注：在CLK的下降沿時，地址計數(shù)器加1，地址計數(shù)器當前所指的地址單元的數(shù)據(jù)被輸出到I/O線上。因此，在整個時鐘周期Tdk期間，包含了地址加1（INC）和讀出（REA）兩項操作。

　　讀IC數(shù)據(jù)子程序(R2:需讀IC卡字節(jié)數(shù)，R0:數(shù)據(jù)區(qū)存放低位首地址)

RICDAZ: MOV A,#KXXDZ ;卡信息地址送A
LCALL SADR ;尋卡地址
RICDA: MOV R3,#08
RICDA1: SETB ICSDA
NOP
MOV C,ICSDA ;位讀到A
RLC A
SETB ICCLK
NOP
CLR ICCLK
NOP
DJNZ R3,RICDA1
MOV @R0,A ;8位數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)區(qū)
DEC R0
DJNZ R2,RICDA
RET
; 尋IC卡位地址子程序(調(diào)用前16進制地址送ACC)
SADR: LCALL FWZCX
MOV B,#08
MUL AB ;計算位地址: 16進制地址*8
MOV R4,A ;低位位地址送R4
MOV R5,B ;高位位地址送R5
JNZ SADR1 ;低位地址不為0轉(zhuǎn)
MOV A,R5
JZ SADR3
DEC R5
SADR1: SETB ICREST ;復位端置1
SETB ICSDA
CLR ICPGM
CLR ICCLK
CLR ICREST
SADR2: SETB ICCLK
SETB ICCLK
CLR ICCLK
CLR ICCLK
DJNZ R4,SADR2
MOV A,R5
JZ SADR3
DEC R5
SJMP SADR2
SADR3: RET
;

　?。?）比較操作：在進行比較操作時，必須保證使RST腳和PGM腳同時保持為低。比較操作只能對芯片密碼控制區(qū)執(zhí)行，且由芯片內(nèi)部來判斷。在FUSE2未熔斷時，只能在SV=0時，對SC區(qū)進行比較操作，對其它區(qū)的比較操作均為無效操作。SV=1時，芯片不做任何比較操作。在FUSE2熔斷后，只能在SV=0時，對SC區(qū)進行比較操作，對其它區(qū)的比較操作均為無效操作。

　　注：上述芯片密碼比較時序圖中是假設密碼計數(shù)器中前兩位為0，第三位尋到1的處理時序。

　　有關芯片SC的時序關系如圖2~5圖所示：

　　從操作(B)到(F)，地址計數(shù)器不變，密碼比較的過程是：

(A)比較安全密碼/擦除密碼序列

(B)在密碼輸入比較計數(shù)器中找出一位為“1”的位

(C)在這個為“1”的單元寫“0”

(D)芯片輸出“0”

(E)如果比較成功，在PGM的上升沿安全密碼/擦除密碼的相應標志

(SV,Sn或En)被置“1”，同時安全密碼/擦除密碼輸入比較計數(shù)器

(SCAC，SnAC或EnAC)被擦除。

(F)如果擦除成功，相應安全密碼/擦除密碼標志被置“1”，芯片將輸出“1”，否則芯片輸出“0”。

(G)在CLK的下降沿，地址計數(shù)器加1，并輸出下一位的狀態(tài)。

　　比較用戶密碼子程序(地址0AH,0BH)

CPSC: MOV R0,#CMM+2
MOV R1,#06
MOV R2,#02
LCALL MVITI
MOV A,#0AH
LCALL SADR ;尋址
MOV R0,#06
LCALL BJMMRET

; 比較密碼程序

BJMM: CLR ICREST
CLR ICPGM
MOV R2,#02
BJMM1: MOV A,@R0
MOV R3,#08
BJMM2: RLC A
MOV ICSDA,C
NOP
SETB ICCLK
NOP
CLR ICCLK
NOP
DJNZ R3,BJMM2
INC R0
DJNZ R2,BJMM1
MOV R2,#08;查8位
BJMM4: SETB ICSDA
NOP
MOV C,ICSDA
JC BJMM5 ;是1轉(zhuǎn)
SETB ICCLK ;指向下一位
NOP
CLR ICCLK
NOP
DJNZ R2,BJMM4
LJMP BJMM8 ;計數(shù)器為00,卡鎖死轉(zhuǎn)
BJMM5: SETB ICPGM
NOP
CLR ICSDA ;寫0
NOP
SETB ICCLK
NOP
CLR ICPGM
NOP
LCALL DELY5
CLR ICCLK
NOP
SETB ICSDA
NOP
MOV C,ICSDA
JNC BJMM6
LJMP BJMM7 ;未寫入0，轉(zhuǎn)出錯
BJMM6: SETB ICPGM
NOP
SETB ICSDA ;寫1(擦除)
NOP
SETB ICCLK
NOP
CLR ICPGM
NOP
LCALL DELY5
CLR ICCLK
NOP
SETB ICSDA
NOP
MOV C,ICSDA
NOP
SETB ICCLK
JNC BJMM7 ;擦除不成功(密碼錯)轉(zhuǎn)
SETB FGICG1 ;置已校對密碼標志
RET
BJMM7: CLR FGICG1 ;建密碼錯標記
RET
BJMM8: SETB FGICG2 ;置卡鎖死標志
RET

　　(4)寫入操作：寫入操作實際包含著兩種:當寫入的數(shù)據(jù)為“0”時，本次操作稱為“寫入操作”。當寫入的數(shù)據(jù)為“1”時，本次操作稱為“擦除操作”?！皩懭氩僮鳌笨梢园次贿M行。但“擦除操作”只能按字節(jié)進行。即使操作時只對單獨一位進行擦除，但執(zhí)行的結(jié)果將使這一位所在的字節(jié)的所有8位全部置成“1”。

　　對芯片的任何一個允許寫入或擦除的區(qū)域，其執(zhí)行寫入和擦除的必要條件是芯片的SV標志為“1”狀態(tài)。

　　注:在CLK為低的狀態(tài)下，PGM端從“0”到“1”，并延時一段“編程建立時間”(Tspr)之后，CLK端從“0”到“1”(這時是寫入/擦除操作的開始)，在此刻之前的Tds(數(shù)據(jù)建立時間)由外部向I/O線給出寫入數(shù)據(jù)。CLK端在“1”狀態(tài)應至少保持5ms(Tchp)之后，CLK端從“1”到“0”（這時是寫入/擦除操作的結(jié)束）。應特別注意結(jié)束寫入操作的CLK端的下降沿并不會使地址計數(shù)器加1，而只是將剛寫入的“數(shù)據(jù)”讀出， 以便外部驗證剛才的“寫入操作”。

WICD: MOV A,#KDWDZ ;送擦除卡低位首地址
LCALL SADR ;尋位地址
MOV R2,#30 ;擦除30字節(jié)
LCALL CPESC3 ;擦除
MOV R0,#RAMDZ ;CPU的RAM中待寫
入數(shù)據(jù)地址
MOV R2,#30 ;寫入30字節(jié)
WICDA: MOV A,@R0
LCALL WICDAA
INC R0
DJNZ R2,WICDA
RET
; 向IC卡寫入子程序
WICDAA: MOV R3,#08
WICDAB: RLC A
JC WICDAC ;該位為1,轉(zhuǎn)
SETB ICPGM ;打開編程位
SETB ICPGM
MOV ICSDA,C
MOV ICSDA,C
SETB ICCLK
SETB ICCLK
CLR ICPGM ;關閉編程位
CLR ICPGM ;關閉編程位
LCALL DELY5 ;延時5MS
CLR ICCLK
CLR ICCLK
WICDAC: SETB ICCLK
SETB ICCLK
CLR ICCLK
DJNZ R3,WICDAB
RET
; 擦除應用區(qū)1
CPESC3: SETB ICPGM ;打開編程位,擦除灰名
單入口
SETB ICPGM
SETB ICSDA
SETB ICSDA
SETB ICCLK
SETB ICCLK
CLR ICPGM ;關閉編程位
LCALL DELY5 ;延時5MS
CLR ICCLK
CLR ICCLK
SETB ICCLK
SETB ICCLK
CLR ICCLK
MOV R3,#07
CPESC4: SETB ICCLK
SETB ICCLK
CLR ICCLK
CLR ICCLK
DJNZ R3,CPESC4
DJNZ R2,CPESC3
RET
; 延時（R7）
DELY5: MOV R7,#0AH ;5毫秒延時
DELY: PUSH 07
DLY1: PUSH 07
DLY2: PUSH 07
DLY3: DJNZ R7,DLY3
POP 07
DJNZ R7,DLY2
POP 07
DJNZ R7,DLY1
POP 07
DJNZ R7,DELY
RET

　　結(jié)束語

　　隨著IC卡技術的飛速發(fā)展,金融機構(gòu)、國家機關、公司企業(yè)、教育部門等領域的需求越來越迫切，應用越來越廣泛。我們已在石化系統(tǒng)加氣站實現(xiàn)了使用IC卡進行加氣的業(yè)務，現(xiàn)將調(diào)試成功的部分實用子程序提供給大家，供同行朋友們參考。