IC简介 IC卡与单片机的应用

一、IC简介

随着超大规模集成电路VLSI的发展，把集成电路IC嵌人类似于信用卡的卡片内，称为IC卡；进而把单片机也嵌入其内，则称为智能卡、聪明卡或智慧卡(Smard Card)。故IC卡也可称为卡式单片机。
　　
　　IC卡根据其结构和应用的特点大致可分为以下4种：
　　
　　1．存储卡
　　
　　存储卡( Memory Card)以半导体存储器取代磁卡的磁条，功能类似于磁卡。存储卡内的集成电路可以是ROM、PROM、EPROM、EE PROM和RAM（带有电池）。由于电可改写的E2 PROM的发展与广泛应用，内含Ez PROM的存储卡是存储卡的发展方向。存储卡可以加上简单密码，故可靠性及保密性高于磁卡。图1 - 111是256字节E2 PROM存储卡PCB2032/42结构图。

该存储卡中内含256字节的EEPROM，作为读／写信息；32字节写保护区，用来存放不改写的永久数据。另外，有的存储卡还有保密功能，如ATMEL公司的128字节的AT102  EE PROM IC卡。
　　
　　2．付费卡
　　
　　付费卡(Debit Card)事实上也是存储卡的一种。该种IC卡采用预先付费，以后使用时扣去相应的钱款。这种lC卡在使用时，只能减不能加。卡内的金额扣完后可重新买卡（再写入钱款额）。图1- 112是104位的E2 PROM付费卡PCF 7960的结构图。

该卡的104位分为3部分：24位为识别码数据（IC-Indenification Code数据）．40位为只读Card Data，40位为Debit Data。其中，位72～103是可位写和字节擦除的计数器值，最大计数器值为3×84 -12 288位。
　　
　　3．智能卡
　　
　　智能卡(Smard Card)不但嵌入了存储器，还带有CPU，除了具有大容量存储外，还具有保密、识别等智能功能，如图1 - 113所示。该类卡可分为如图1 - 113所示的接触式和如图1 - 116所示的非接触式。智能卡是lC卡发展的方向，目前主要应用于银行、金融、POS系统及信息管理存取系统等。
　　
　　4．密码卡
　　
　　密码卡(Crypto Card)也是智能卡的一种。该IC卡在智能卡基础上，又嵌入了硬件密码计算单元，以满足RSA密码算法的要求。密码卡可以满足公共密码系统及开放式网络的要求，是近年来发展的高性能智能卡。
　　
　　IC卡具有存储容量大和保密性强的特点，因此，不但能取代磁卡应用，而且还具有更广泛的应用领域：付费电话（公用电话卡）；银行金融系统（银行卡）；健康保健系统（健康卡）；售货、消费（电度表收费，汽车加油）——消费卡；大学、企业管理（公司／校园卡）；收费电视(Pay TV卡)；停车、门禁管理}海关电子护照、身份证；公共汽车、地铁的电子月票；高速公路、隧道、大桥的车辆自动收费；公共数据库系统的合法存取。
　　
　　IC卡与磁卡相比，有以下特点：
　　
　　①存储容量大，可达10 KB，大大超过磁卡的存储量；保密安全性好，这是磁卡无可比拟的；IC卡的读／写可靠性要比磁卡高得多。
　　
　　②IC卡（智能式）是1***立型计算机，可以不必实时联网使用。这在我国通信设备较落后的情况下更具有现实意义。
　　
　　③一卡多用，如公司卡既可消费（吃饭、购物），又可考勤，借书，借器材及用于资料管理等。
　　
　　④IC卡价格要比磁卡高得多，推广应用有一定困难。

二、IC卡与单片机

IC卡是把单片机芯片封装在卡片上，即带有EE PROM的单片机以片的形式进行应用。
　　
　　MOTOROLA、SGS、OKI、HITACHI、SIEMENS、PHILIPS和ATMEI。等公司都有相应的单片机作智能卡。原则上单片机内含EE PROM都可以作智能卡。表1- 30列出了这些单片机的性能。

图1 - 114是目前应用量最大的智能卡单片机68HC05SC24的系统结构图。从图中可以看出，其结构与M68HC05系列单片机完全相同，只不过片内的Ez PROM容量较大，以及配有相应的Ez PROM所需的充电泵机构(Charge Pump)。

　　
　　随着人们对智能卡密码要求的不断提高，密码卡也应运而生。PHILIPS公司较早推出了带有密码计算单元的83C 852单片机。如图1- 115所示，它采用了80C 51为核。ROM为6KB．RAM为256字节，EE PROM为2 KB。此外，还带有512位RSA密码的高速硬件计算解码器，其算法为Xe(mod N)R= [(Y．X)+A]。该公开算法计算密码需440 000年，而83C852单片机只需1.5 s就完成了密码计算(以往若用软件实现，至少需1 min)。
　　
　　近来，为了使智能卡应用更为方便，采用非接触的光电耦合来取代ISO—7816的8点接触方式。非接触式的智能卡(Contactless Smart Card)如图1- 116所示，图中的线圈可用印制板线圈来实现。非接触智能卡是新一代的IC卡。香港的地铁已用非接触智能卡取代了使用多年的磁卡。
　　
　　表1- 31和表1- 32分别列出了各公司的IC卡芯片的市场占有率和IC卡芯片的技术状况。

三、IC卡的开发与应用

IC卡是把单片机（或EE PROM）芯片先做成带有8个触点镀金铜片的模块，然后在PVC(或ABS)塑料卡片上挖个洞，再把模块嵌入洞中。虽然IC卡与常用的单片机（或EzPROM）只是封装形式不同，但是，由于形式不同，故开发应用也有所不同。
　　
　　存储卡只是把串行接口（如I2C总线）的E2 PROM芯片封装在卡片上。因此，存储卡的开发应用很方便，可以像常规的串行EE PROM芯片那样，通过IC卡上的触点按IIC总线规程来存取信息。
　　
　　智能卡虽也只是把单片机芯片封装在卡片上，但智能卡的开发应用要比存储卡复杂得多。智能卡信息的存取在形式上也与存储卡一样，通过读卡器的触点来串行读／写数据。由于智能卡的E2 PROM是在单片机内，故智能卡的读／写须通过单片机操作才能进行；同时，智能卡的密码式存取也须通过单片机解码认证后才能合法存取信息。所以，智能卡中单片机内的ROM要编有IC卡读／写的卡操作系统（Chip Card Operating System，有别于常说的计算机操作系统）和密码的算法。智能式IC卡的单片机开发可像常规的单片机开发那样，先用在线仿真器或软件验证板来开发编程，开发好的可进行掩膜，掩膜后的芯片就可以作为智能卡中的芯片。
　　
　　为了便于IC卡的开发与应用，国际标准化组织ISO制定了以下标准：
　　
　　●7816 -1: IC卡的物理特性，如硬度、韧度及耐弯度等；
　　
　　●7816 -2：IC卡的尺寸及接触点的位置；
　　
　　●7816 -3：IC卡的电信号，如电信号的定义、电压、电流、工作频率及启动时的传输协议；
　　
　　●7816 -4：IC卡用于国际交换的行业间命令；
　　
　　●7816 -5：IC卡应用识别时的编号和登记过程；
　　
　　●7816 -6：IC卡用于行业间数据元素。
　　
　　其中：前3部分用于制定IC卡的标准，目前已基本标准化；后3部分用于应用，还在完善之中。另外，根据不同的应用领域，ISO还在制定不同的应用标准。如金融应用标准的ISO-9992，它制定了IC卡的生命周期、事务过程、密码键关系、应用模块、IC卡密码算法和IC卡安全验证等。
　　
　　智能IC卡的开发应用与常规单片机的开发应用方式稍有不同。IC卡的前期开发(7816-3中的IC卡部分的电信号操作、卡操作系统及密码算法等)由IC卡研制厂商先行开发，其开发过程类同常规单片机的开发过程。开发好的程序掩膜后，作成模块，嵌入卡片内，形成IC卡供用户再次开发与应用。如图1 - 117所示，IC下的生命周期分4个阶段：制造期、格式化期、使用期和结束期。制造期，是在IC卡生产厂商的制造中完成；格式化期，是发卡者（如银行）在生产厂商支持下根据应用进行个性化( Personalization)及格式化；使用期，是持卡者（如客户）用IC卡存取信息进行应用；结束期，当IC卡失效或存储区满时，即失效锁死。
　　
　　上述开发，卡操作系统是关键。它有以下功能：
　　
　　●数据传输管理根据7816 -3中的异步半双工协议，对IC卡与卡终端设备的数据传输电信号进行管理。
　　
　　●保密信息管理密码下数据传送，信息的加密／解密及验证处理。
　　
　　●应用管理逻辑通道管理，应用中的多任务处理及管理。
　　
　　●文件管理操作系统由若干个MF(主文件)、DF（专用文件）和EF(基本文件)等组成，
　　
　　信息的存取通过文件管理进行。
　　
　　●存储器管理文件及应用的安装管理、检验和计算以及自由存储区的管理。
　　
　　●密钥管理密钥作为记录在文件中，密钥的存储、寻址和识别等。
　　
　　●命令管理支持7816-4的卡与终端设备的命令处理及管理。
　　
　　IC卡的应用十分广泛，特别是在欧洲。在国际上，IC卡主要应用于金融、电信、医疗等方面。
　　
　　国际上的IC卡生产厂商主要在欧洲，而且，大多数在法国，如Bull（布尔）、SCHLUM-BERGER(施伦伯格)、Gemplus（简帕拉斯）、SIEMENS（西门子）和PHILIPS（飞利浦）公司。表1- 33～表1- 37给出了这些IC卡系列。

我国IC卡的应用从1994年开始，至今已十分广泛，有不少应用系统。
　　
　　智能IC卡的开发应用，目前主要还是在政府职能部门指导下进行：
　　
　　●银行卡 上海浦东发展银行的东方卡采用Bull公司的IC卡。
　　
　　●金税卡 根据我国新的税务制采用大容量智能IC卡。
　　
　　●移动电话卡  我国的GSM卡采用了SCHLUMBERGER公司的IC卡。
　　
　　由于对智能IC卡的开发平台有一定的要求，应用的规模要有一定的量，因此，智能IC卡的成本也较高。故除了上述较有规模的应用外，在其他方面的应用较少，而且规模也不大。但是，智能IC卡应是IC卡应用的方向。因此，在建立IC卡生产基地的同时，应加强IC卡的操作系统、IC卡开发平台和IC卡设备的研制，这样，就没有必要花高昂费用去购买IC卡的开发系统了，从而可加速我国智能lC卡的开发与应用。
　　
　　E2 PROM的IC卡由于开发方便，卡的成本也较低，因而该类IC卡目前在我国开发应用较多。ATMEL公司的AT102（加密的1K位）在我国应用较早，也较广泛。如：
　　
　　●公司／校园卡公司／学校的管理、考勤、食堂、小卖部等。
　　
　　●交通卡如电子月票、停车、加油、公路收费等。
　　
　　●电信类卡  如电话卡。
　　
　　●公用事业收费卡  如电表卡、煤气卡、水表卡等。
　　
　　●收费电视卡在有线电视上对某些频道进行收费。
　　
　　根据我国的情况，IC卡的应用可以中央与地方相结合，既进行智能IC卡的应用开发，也
　　
　　大力推广E2 PROM IC卡的应用。在应用达到一定规模后，逐步朝智能IC卡应用发展（在一些领域仍可广泛使用Ez PROM IC卡），并把重点放在非金融类方面的应用。
　　
　　IC卡的应用有其特殊性，特别是开发的成本较高，故切忌一哄而上。不过，只要能正确引导，IC卡的应用会在我国结出硕果。特别是会在以下领域取得具有特色的应用：
　　
　　●金融卡  由于我国通信线路较差，磁卡在商店消费要花费很长时间，智能IC卡可以当场消费、结算，可取代磁卡的应用。
　　
　　●收费电视卡我国有亿万电视观众，此方面应用有较明显的效益。
　　
　　●身份资料卡如身份证卡（可把指纹、签字密码储存在卡中）、保健卡、电子护照等，其
　　
　　应用在我国尤具意义。