智能卡COS芯片層模塊設(shè)計與測試方案研究

文章出處：http://bookmouse.cn 作者：張李靜 張秋燕   人氣： 發(fā)表時間：2011年09月28日

    0 引 言 

    隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，智能卡的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛，涉及到人類生活的各個領(lǐng)域，如商業(yè)、醫(yī)療、保險、交通、社會公共事業(yè)等多種領(lǐng)域，所以如何設(shè)計一個高效穩(wěn)定的智能卡操作系統(tǒng)口具有較高的社會意義。這里針對智能卡的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計了操作系統(tǒng)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(wěn)定性。

  1 智能卡操作系統(tǒng)概述 

    片內(nèi)操作系統(tǒng)(Chip Operating System，COS)一般是緊緊圍繞著它所服務(wù)的智能卡的特點(diǎn)而開發(fā)的。與常見的微機(jī)上的操作系統(tǒng)相比，COS在本質(zhì)上更加接近于監(jiān)控程序。在此以具體開發(fā)實(shí)例說明卡片操作系統(tǒng)的基本問題，并提出一種可行可測試的芯片層設(shè)計方案及一種芯片底層的測試方案。

    2 COS芯片模塊設(shè)計 

    COS底層模塊在設(shè)計時一般都是緊密結(jié)合智能卡內(nèi)存儲器分區(qū)的情況，按照國際標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的一些功能進(jìn)行設(shè)計、開發(fā)。
IS07816是接觸式智能卡必須遵循的國際規(guī)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，其中包括各個觸點(diǎn)的電壓電流承受范圍、卡復(fù)位應(yīng)答各個信息位的實(shí)際表示和T=0，T=1的傳輸協(xié)議。ISO／IEC 7816—3規(guī)定了IC卡的電氣特性和傳輸協(xié)議。包括該類卡和接口設(shè)備問的電源、電氣信號協(xié)議和信息交換協(xié)議。通信過程中，由接口設(shè)備給IC卡提供電源 (Vcc)，復(fù)位信號(RST)和時鐘(CLK)，卡和接口設(shè)備間通過I／O端口進(jìn)行串行通信。 

    (1)通信模塊設(shè)計。根據(jù)T=0異步半雙工字符傳輸協(xié)議，Ic卡和接口設(shè)備之間以字符為單位(簡稱字符幀)進(jìn)行傳輸，采用偶校驗(yàn)，每個字符由10 b組成。傳輸字符幀之前，I／O線處于狀態(tài)z，第1 b為起始位(狀態(tài)A)；后面8 b為數(shù)據(jù)位D1～D8；第10 b為偶校驗(yàn)位，即8位數(shù)據(jù)和奇偶校驗(yàn)位中1的個數(shù)為偶數(shù)。
 
   串行通信是按位傳送的，每位信息寬度(持續(xù)時間)定義為基本時間單位ETU(Elementary Time Unit)。在復(fù)位應(yīng)答期間的信息寬度稱為“初始ETU”，它等于372個時鐘周期，即1ETU=372／f。復(fù)位應(yīng)答后的信息寬度稱為“當(dāng)前ETU”，其計算公式為：當(dāng)前ETU=(F／D)(1／f)。其中：F是時鐘頻率變換因數(shù)；D是比特率調(diào)整因數(shù)；f是時鐘頻率。 

   IC卡必須與相應(yīng)的讀寫設(shè)備(IFD)通信。從這個角度講，智能IC卡操作系統(tǒng)的作用就是從讀寫設(shè)備(IFD)接收命令、執(zhí)行命令并將結(jié)果返回讀寫設(shè)備 (IFD)。所以，通信管理功能模塊在操作系統(tǒng)中具有十分重要的作用。通信管理功能模塊主要實(shí)現(xiàn)以下幾種功能：實(shí)現(xiàn)某一通信協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層的傳輸管理功能；實(shí)現(xiàn)ISO／IEC 7816標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的ATR(復(fù)位響應(yīng))等功能；為操作系統(tǒng)中的其他功能模塊提供相應(yīng)接口。
 
   按ISO／IEC 7816標(biāo)準(zhǔn)，IC卡和讀寫設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)，在這樣一次典型的通信過程中，通信管理功能主要從事6個步驟的具體工作。如圖1所示。 

圖1：6個步驟的具體工作

   以下是卡片接收指令相關(guān)的源代碼： 

   (2)硬件模塊設(shè)計。智能卡COS上電后首先要進(jìn)行芯片初始化，其主要設(shè)置以下幾個方面：芯片初始工作時的頻率，以及使用外頻還是內(nèi)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(yàn)還是偶校驗(yàn)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個頁面為單位進(jìn)行擦除，根據(jù)FLASH編程寫的特點(diǎn)，也就是1能寫成0，而0不能寫成1，故在設(shè)計編程寫函數(shù)時為了保證寫數(shù)據(jù)的正確性，特采取如下的方式實(shí)現(xiàn)此功能： 

    第一步：取出要寫入地址的數(shù)據(jù)(為A)，與要寫入的數(shù)據(jù)(為B)進(jìn)行與操作(結(jié)果為C)；
    第二步：在要寫入數(shù)據(jù)的地址寫入數(shù)據(jù)(B)；
    第三步：取出寫人數(shù)據(jù)后的地址的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)C進(jìn)行比較。 

    對于51系列智能卡芯片，由于標(biāo)準(zhǔn)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。這時往往需要一個映射函數(shù)來實(shí)現(xiàn)不同BANK的跳轉(zhuǎn)。如果一款智能卡芯片的程序存儲器采用128 KB的FLASH用來存放COS和用戶數(shù)據(jù)。128 KB的FLASH均分4個32 KB的BANK，在這4個區(qū)域里，Commom區(qū)是3個Bnak的公共區(qū)域，即Commom區(qū)和每個32 KB的BANK都可以組成64 KB的連續(xù)空間。3個Bnak之間不能直接互相訪問，而必須調(diào)用Commom區(qū)里的程序才能實(shí)現(xiàn)相互的訪問。所以在創(chuàng)建工程時要把經(jīng)常使用的程序和常數(shù)，如中斷入口函數(shù)、Bank Switch跳轉(zhuǎn)表等都放到Commom區(qū)里，這樣才能實(shí)現(xiàn)各個區(qū)域的相互訪問。 

    (3)異常保護(hù)模塊設(shè)計。IS07816—3規(guī)定2個連續(xù)字符上升沿之間的延遲至少是12 ETU，且2個連續(xù)字符上升沿之間的延遲應(yīng)不超過9 600 ETU。所以COS在設(shè)計時要加入發(fā)送“60”來實(shí)現(xiàn)正常的通信。 

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

    操作系統(tǒng)的異常處理，此函數(shù)為COS進(jìn)行異常狀態(tài)時調(diào)用的函數(shù)。進(jìn)入異常狀態(tài)時，要關(guān)閉發(fā)送“60”的定時器，然后進(jìn)入死循環(huán)狀態(tài)。 

    3 芯片測試方案設(shè)計 

    以下提出一種針對芯片模塊函數(shù)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，在使用時需要更改或更換。 

    另外，MAIN．C文件中的CommandInterpreter()命令解釋器函數(shù)是對發(fā)送命令的識別解釋(在此函數(shù)中，為所有需要測試的函數(shù)定義了指令嗎)。被測函數(shù)的函數(shù)體在API．C文件中。芯片庫在API．C文件中被具體調(diào)用。 

    此Testing COS可直接寫入智能卡中，設(shè)計思路是：采用直接APDU指令調(diào)用的形式，直接調(diào)用硬件模塊函數(shù)，如擦一頁函數(shù)。執(zhí)行完指令，函數(shù)返回一個狀態(tài)字。 

    主程序是一個死循環(huán)，如下：

    命令解釋器函數(shù)支持多個函數(shù)，為用戶對硬件的直接操作提供接口，可以通過發(fā)送APDU指令實(shí)現(xiàn)對芯片的多種操作。 

    例如：APDU：80 00 10 00 00表示擦除地址0x1000所在頁面。
    APDU：80 0C 10 00 10表示從地址Oxl000開始讀取長度為Oxl0的數(shù)據(jù)。
    (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平臺使用方便簡潔，易于觀察執(zhí)行結(jié)果，但是其不能觀察過程。因此，在返回結(jié)果與預(yù)期結(jié)果不一致，或者出現(xiàn)錯誤的情況下，無法判斷產(chǎn)生錯誤的原因。在這種情況下，需要借助仿真器，跟蹤執(zhí)行過程，最終找出產(chǎn)生問題的原因。

    4 結(jié) 語 

    智能卡操作系統(tǒng)根本的部分就在于芯片底層各個模塊的穩(wěn)固性。芯片層開發(fā)是電信、稅控等產(chǎn)品開發(fā)的重要組成部分之一，也是最基礎(chǔ)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(wěn)移植，需要對芯片層的開發(fā)提出一定的要求和標(biāo)準(zhǔn)，這樣可以保證上層開發(fā)的一致性。