【文章內容簡介】 址的字節(jié)中8位沒有一個字位需要從0變?yōu)?，則可以不進行擦除處理。反之亦然，在被尋址的字節(jié)中，如果沒有一個字節(jié)需要從1變?yōu)?，則可以不做寫入處理。主存儲器的地址是從00H到FFH。但主存儲器可分為兩個數(shù)據(jù)區(qū):保護數(shù)據(jù)區(qū)和應用數(shù)據(jù)區(qū)，保護數(shù)據(jù)區(qū)是主存儲器前32個字節(jié)數(shù)據(jù)區(qū)。其地址是從0(00H)到31(1FH)這部分的數(shù)據(jù)讀出不受限制，但擦除和寫入操作均受到保護存儲器內部數(shù)據(jù)狀態(tài)的限制。當保護存儲器中第N位為0時，則對應主存儲器中第N個字節(jié)就不允許進行擦除和寫入操作。故保護數(shù)據(jù)區(qū)一般均作為IC卡的標識數(shù)據(jù)區(qū)，存放一些固定不變的標識參數(shù)。應用數(shù)據(jù)區(qū)為主存儲器后224個字節(jié)。其地址從32(20H)到255(FFH).這部分的數(shù)據(jù)讀出不受限制，但擦除和寫入受控于加密存儲器數(shù)據(jù)校驗比較結果的影響。當需要修改應用數(shù)據(jù)區(qū)的內容時，必須首先輸入一個3字節(jié)長的“校驗字”。這個新輸入的“校驗字”與原來存在在加密存儲器中的“參照字”進行一對一的比較。只有當兩者完全一致時，芯片的加密控制邏輯才打開芯片的主存儲器，允許后面的擦除和寫入操作。芯片允許在有限的次數(shù)內重試比較操作。如果在連續(xù)三次比較失敗之后，芯片的錯誤計數(shù)器計數(shù)到“0”，并將鎖死主存儲器，禁止隨后的任何比較操作和寫入擦除操作。這時整個主存儲器變成一個只讀存儲器。芯片中各存儲器的內容不能再改變。2）保護存儲器是一個321位的一次性可編程只讀存儲器（PROM）。它是按字位方式尋址和寫入。保護存儲器從0~32的每一位對應著主存儲器地址從0到31的字節(jié)。因此可以理解為每個字節(jié)單元的控制熔絲。從出廠到被初始化之前，保護存儲器的狀態(tài)為全“1”。從控制方面來說，保護存儲器的內容只能從“1寫成“0”而不能從“0”擦除成“1”。保護存儲器每個被寫“0”的單元所對應控制的主存儲器的字節(jié)單元將不再接收任何擦除和寫入命令，從而使得該字節(jié)單元的數(shù)據(jù)不可再改變。從使用方面來講，如果需要防止一些固定的標識參數(shù)被改動，可以將這類參數(shù)先寫入主存儲器的保護存儲區(qū)，然后將對應單元的保護存儲器的字位寫位“0”，從而使這一部分單元中的參數(shù)內容永遠不可更改。保護存儲器本身的讀出操作不受限制。但對其寫入操作仍然受到加密存儲器比較校驗操作結果的控制。當輸入的“校驗字”與芯片內的“參照字”‘一致，則可以執(zhí)行后續(xù)的寫入操作。如果比較不成功，則控制邏輯將閉鎖保護存儲器。3)加密存儲器:加密存儲器是一個48位的EEPROM型存儲器。在這個存儲器中，第0字節(jié)為“密碼輸入錯誤計數(shù)器”(EC)。密碼輸入錯誤計數(shù)器的有效位是低3位。在芯片初始化時，計數(shù)器設置成111。這一字節(jié)是可讀的。每次比較密碼時，先判斷計數(shù)器中是否還有“1”。如果還有“1”，則將其中一個“1”寫成“0”，然后進行比較“校驗字”操作。如果比較結果一致，密碼錯誤計數(shù)器將允許進行擦除操作(芯片不能自動進行擦除操作)，同時打開主存儲器、保護存儲器和加密存儲器，并允許進行擦除和寫入操作。如果比較結果不一致，則密碼錯誤計數(shù)器中為“1”的個數(shù)將減少一位。只要計數(shù)器的內容不全為0，則芯片的比較“校驗字”操作還允許進行。當密碼計數(shù)器減數(shù)為零，則芯片的存儲單元將全部鎖死。加密存儲器的第1,2,3字節(jié)為“參照字”存儲區(qū)。這3個字節(jié)的內容作為一個整體披稱為可編程加密代碼(PSC)。值得注意的是:這3個字節(jié)的內容在PSC比較成功前是不可讀的，只能進行比較操作。而“寫入、擦除”操作也受自身“比較”操作結果的控制。只有當“比較”成功，加密存儲器各字節(jié)內容才可以進行讀出、寫入和擦除。 SLE4442芯片傳送協(xié)議傳送協(xié)議是在接口設備IFD與IC卡的集成電路之間的兩線連接協(xié)議，SLE4442芯片的協(xié)議類型為S=10(同步卡協(xié)議)。I/O線上數(shù)據(jù)變化只在CLK信號的下降沿才有效。傳送協(xié)議包括4種模式:l 復位和復位響應l 命令模式l 輸出數(shù)據(jù)模式l 處理模式1)復位和復位響應:復位響應是根據(jù)ISO 78163標準來進行的。在操作期間的任何時候都可以復位。當RST線從H狀態(tài)置到L狀態(tài)時，第一個數(shù)據(jù)位的內容被送到I/O線上。若連續(xù)輸入32個時鐘脈沖，主存儲器中的前4個字節(jié)地址單元中的內容被讀出。在第33個時鐘脈沖的下降沿，I/O線被置成H狀態(tài)而關閉。圖31為芯片復位即復位響應的時序關系。在復位響應期間，“啟動”和“停止”(見下面)狀態(tài)被忽略。圖31芯片復位及復位響應的時序關系2)命令模式:復位響應之后，芯片等待著命令。每條命令都以一個“啟動狀態(tài)”開始。整個命令包括三個字節(jié)(命令含義后面解釋)。隨后緊跟著一個附加脈沖并用一個“停止狀態(tài)”來結束操作。圖32為命令模式時序關系。啟動狀態(tài):在CLK為H狀態(tài)期間，I/O線的下降沿為啟動狀態(tài)。停止狀態(tài):在CLK為H狀態(tài)期間，I/O線的上升沿為停止狀態(tài)。在接受一個命令之后，有兩種可能的模式:輸出數(shù)據(jù)模式(即讀數(shù)據(jù)模式)和處理數(shù)據(jù)模式。圖32命令模式的時序關系3) 輸出數(shù)據(jù)模式：這種模式是將IC卡芯片中的數(shù)據(jù)傳送給外部接口設備的一種操作。圖33為輸出數(shù)據(jù)模式的時序關系。在第一個CLK脈沖的下降沿之后，I/O線上的第一位數(shù)據(jù)變?yōu)橛行АｋS后每增加一個時鐘脈沖，芯片內部的一位數(shù)據(jù)被送到I/O線上。其輸出的順序是從每個字節(jié)的最低位開始。當所需要的最后一個數(shù)據(jù)送出以后，需要再附加一個時鐘脈沖來把I/O線置成H狀態(tài)，以便準備接受新的命令。在輸出數(shù)據(jù)期間，任何“啟動狀態(tài)”和“停止狀態(tài)”均被屏蔽掉。圖33輸出數(shù)據(jù)模式的時序關系4) 處理數(shù)據(jù)模式:這種模式是對IC卡芯片做內部處理。圖34為處理數(shù)據(jù)模式的時序關系。芯片在第一個時鐘脈沖的下降沿將I/O從H狀態(tài)拉為L狀態(tài)并開始處理。此后芯片在內部連續(xù)計時計數(shù)，直到第N個時鐘脈沖之后的附加時鐘脈沖的下降沿I/O線被再次置高，完成芯片的處理過程。在整個處理過程中I/O線被鎖定成低狀態(tài)。圖34處理數(shù)據(jù)模式的時序關系 芯片的操作命令 1)命令的格式:每條命令包含三個字節(jié)，其順序如下:MSB控制字 LSBMSB地址字 LSBMSB數(shù)據(jù)字 LSBB7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0A7 A6A5 A4 A3 A2 A1 A0D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1D0命令的傳送總是從控制字節(jié)開始。首先傳送字節(jié)的最低位LSB(即B0)?？刂谱止?jié)傳送完畢以后，依次傳送地址字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)，傳送順序均從各字節(jié)最低位開始。在最后一位D7傳送完成之后，需要增加一個附加脈沖把I/O線置成高狀態(tài)。SLE4442芯片具有七種命令，其格式和功能見下表32表32命令格式及功能字節(jié)1（控制）字節(jié)2（地址）字節(jié)3（數(shù)據(jù)）功能命令模式30H38 H34 H3B H31 H39 H33 H地址數(shù)地址數(shù)無效地址數(shù)無效地址數(shù)地址數(shù)無效輸入數(shù)據(jù)無效輸入數(shù)據(jù)無效輸入數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)讀存儲器修改存儲器讀保護存儲器寫保護存儲器讀加密存儲器修改加密存儲器比較校驗數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)模式處理模式輸出數(shù)據(jù)模式處理模式輸出數(shù)據(jù)模式處理模式處理模式2)有關命令的說明:l 讀主存儲器:該命令是指讀出主存儲器的內容。該命令的控制字為(30H)。對于每個字節(jié)來說總是從最低位開始讀出。從給定的字節(jié)地址(N)開始，直到整個存儲器的末尾。在該命令輸入以后，接口設備IFD必須提供足夠的時鐘脈沖。對于從地址(N)開始讀數(shù)據(jù)所需要的時鐘脈沖的數(shù)量M=(256N)8+1。對主存儲器做讀操作不受限制。l 讀保護存儲器:該命令的控制字為(34H).在連續(xù)輸入32個時鐘脈沖情況下，芯片將保護存儲器內各位內容傳送到I/O線上。最后一個附加時鐘將I/O線置為H狀態(tài)。對保護存儲器進行讀取操作不受限制。l 讀加密存儲器:該命令類似于讀保護存儲器那樣，可以讀出4個字節(jié)的加密存儲器的內容。在輸出數(shù)據(jù)模式下，所需時鐘脈沖的數(shù)量為32。其后再附加一個時鐘脈沖將I/O線置成高狀態(tài)。如果可編程加密代碼（PSC）的校驗不成功(除第0字節(jié)可讀除外)，I/O線總保持低狀態(tài)。l 修改主存儲器:該命令就是根據(jù)所傳送地址字節(jié)數(shù)據(jù)，尋址主存儲器的EEPROM字節(jié)，然后修改字節(jié)內容。該命令的控制字為(38H)。在處理模式期間，可能有幾種情況：——擦除和寫入至少需要5ms——只寫入不擦除，——只擦除不寫入，l 修改加密存儲器:該命令是根據(jù)所傳送的字節(jié)數(shù)和要修改的數(shù)據(jù)，將加密存儲器中相應字節(jié)的內容進行修改。該命令的控制字為(39H)，該命令只能在可編程加密代碼 (PSC)比較成功之后才能進行。該命令的執(zhí)行時間和所需的時鐘脈沖與修改主存儲器的情況相同。l 寫保護存儲器:這一命令的執(zhí)行過程包括一個把被輸入的數(shù)據(jù)與在EEPROM中對相應數(shù)據(jù)進行比較的過程。在確認一致的情況下，保護字位被寫0。從而使得主存儲器中的信息不可更改。如果數(shù)據(jù)比較結果不一致，則保護字位的寫操作將被禁止。該命令所需時鐘脈沖和執(zhí)行時間與修改主存儲器命令的情況相同。 存儲芯片的選擇在此讀寫系統(tǒng)中，單片機必須擴展片外E178。PROM用來存儲關鍵信息。工程上常用的E178。PROM的28系列的芯片具有編程簡單、使用方便的特點，但是在此讀寫系統(tǒng)中其容量比實際要求的要大，若選用此系列的芯片不但能浪費絕大部分的存儲單元，而且占用外部的存儲空間，增加了譯碼線路，并且增加了線路板的面積。因此，本系統(tǒng)選用美國Microchip公司生產(chǎn)的AT24C02芯片，不但能最大限度地利用其容量，且不用地址譯碼，不占用外存空間。該芯片存儲容量為256字節(jié)，采用I2C串行總線協(xié)議與單片機通信，該芯片采用低功耗CMOS工藝制造，可以在無電源狀態(tài)下長期可靠存儲系統(tǒng)內重要數(shù)據(jù)，工作壽命可達106次。當IC卡插入系統(tǒng)時，卡內的關鍵數(shù)據(jù)將存儲在AT24C02芯片中，從而實現(xiàn)了重要數(shù)據(jù)的備份，提高了讀寫器的可靠性與穩(wěn)定性。AT24C02芯片還具有體積小巧的特點，并且采用特殊的工作時序，絕不會誤寫成功，具有高度的可靠性。圖35 AT24C02管腳圖l SCL：串行時鐘輸入線。數(shù)據(jù)發(fā)送或接收的時鐘從該引腳輸入。l SDA：串行數(shù)據(jù)/地址線。用于傳送地址和發(fā)送與接收數(shù)據(jù)，為雙向傳輸。l A0、AA2：器件地址輸入端。l WP：寫保護端。WP=1為寫保護，只能讀出不能寫入，WP=0時器件允許進行正常的讀寫操作。 串口通信電路 該電路的芯片，選擇MAX232芯片。該產(chǎn)品是由德州儀器公司（TI）推出的一款兼容RS232標準的芯片。由于電腦串口RS232電平是10V ~+10V，而一般的單片機應用系統(tǒng)的信號電壓是TTL電平0 ~+5V,max232就是用來進行電平轉換的,該器件包含2驅動器、2接收器和一個電壓發(fā)生器電路提供TIA/EIA232F電平。該器件符合TIA/EIA232F標準，每一個接收器將TIA/EIA232F電平轉換成5V TTL/CMOS電平。每一個發(fā)送器將TTL/CMOS電平轉換成TIA/EIA232F電平。主要特點 l 單5V電源工作；l 兩個驅動器及兩個接收器；l 177。30V輸入電平；l 低電源電流：典型值是8mA；l 符合甚至優(yōu)于ANSI標準 EIA/；l ESD保護大于MILSTD883（方法3015）標準的2000V。圖35是MAX232的引腳圖圖36 MAX232的引腳 鍵盤電路選擇鍵盤電路的設計通常有兩種方案。一種是并行接口鍵盤電路，另一種是串行接口鍵盤電路。在本設計中，根據(jù)IC卡讀寫器的輸入需要，選擇采用一個44的16按鍵矩陣式鍵盤接口，分別作為0~9的數(shù)字輸入， 6個功能按鍵輸入。 顯示電路本設計采用液晶顯示器。其特點是顯示內容豐富(可顯示漢字)，功耗小，可靠性高，電路簡單。器件型號為SMG12232B2，顯示內容為12232點陣。第四章 硬件電路設計所設計的讀寫器以8051單片機為核心，配以IC卡接口電路、串行通信電路、存儲電路、掉電檢測電路、鍵盤顯示電路等部分。通過讀寫器插槽與IC卡芯片通信，由51單片機控制數(shù)據(jù)傳輸過程，實現(xiàn)讀卡和寫卡操作。圖41為系統(tǒng)的總體框圖。51單片機IC卡芯片串行通信電路掉電檢測鍵盤液晶顯示存儲模塊圖41 總體框圖IC卡接口設備的種類很多，功能上由于不同的應用需要，差別也很大，但就其對卡 (以接觸式卡為例)的操作功能來說，都應具備以下幾個基本功能:l IC卡的插入/退出的識別與控制(接觸式卡):IC卡進/出RF區(qū)的識別和控制(非接觸式卡)。l 向IC卡提供其所需的穩(wěn)定的電源與時鐘信號。l 實現(xiàn)與卡的數(shù)據(jù)交換，并提供相應的控制信號。l 對于加密數(shù)據(jù)系統(tǒng)，應提供相應的加密解密處理及密鑰管理機制。l 提供相應的外部控制信息及其它設備的信息交換。很多讀寫設備除了對卡的基本操作外，還設計了其他一些重要功能:l 必要的控制界面和顯示界面。l 提供數(shù)據(jù)通訊接口與上位機進行數(shù)據(jù)通訊。l 網(wǎng)絡控制功能，實現(xiàn)遠程適時控制。 接觸式IC卡的接口電路和一般控制IC卡的接口電路是連接IC卡與讀寫設備的通路，由它實現(xiàn)對IC卡的供電，并滿足不帶電插拔的要求。IC卡接口設備中的IC卡供電電路應是一個相對獨立于其他回路，并提供完善的過流保護措施的穩(wěn)壓電路，這是由于IC卡接口設備是一個獨立于IC卡的設備，當有卡插入時，接口設備便開始向IC卡提供其所需的電力。如果插入的是一張電源與地擊穿的壞卡，或是一個金屬片之類的物質，就會造成供電回路的短路現(xiàn)象，若IC卡接口設備中無過流保護回路，就會干擾整個設備的正常工作。為了提高IC卡操作的可靠性，必須有上下電控制電路、卡插入檢測電路、卡短路檢測電路。下圖42