|
1 SIM卡(Subscriber Identity Module) 即用戶識別模塊，是一張符合GSM規(guī)范的"智慧卡"。SIM卡可以插入任何一部符合GSM規(guī)范的移動(dòng)電話中，"實(shí)現(xiàn)電話號碼隨卡不隨機(jī)的功能"，而通話費(fèi)則自動(dòng)計(jì)入持卡用戶的帳單上，與手機(jī)無關(guān)。 SIM卡作為智能卡中特殊的一類卡，采用標(biāo)準(zhǔn)的接觸式IC卡。他受到ISO7816標(biāo)準(zhǔn)(接觸式集成電路IC卡的規(guī)定)和ETSI(歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)委員會)的GSM11.11等標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范。他沿襲了智能卡在安全中的特色，并在移動(dòng)用戶認(rèn)證和移動(dòng)商務(wù)中扮演重要的角色。 目前手機(jī)用戶將一些重要的電話號碼都儲存在手機(jī)的SIM卡上。如果手機(jī)失竊，用戶可以買一部新的，但是儲存的號碼怎么辦呢?如果用戶能事先將儲存在SIM卡上的電話號碼做一份電子拷貝，這樣就算手機(jī)丟失了，用戶還是可以很容易地將保存的號碼寫入到新的SIM卡里。為此，研究并設(shè)計(jì)了SIM卡讀卡器，通過他可以將手機(jī)SIM卡中信息讀取到電腦中，方便地實(shí)現(xiàn)電話簿和短消息的編輯、備份和管理。為經(jīng)常使用手機(jī)的用戶提供了一個(gè)經(jīng)濟(jì)、便捷的信息備份管理解決方案。 2 SIM卡常識 SIM卡是一張符合GSM規(guī)范"智能卡"，他實(shí)際上是一個(gè)裝有微處理器的芯片卡，內(nèi)部有5個(gè)模塊，且每個(gè)模塊都對應(yīng)一個(gè)功能：CPU(8位)、程序存儲器(3～8 kb)、工作存儲器(6～16 kb)、數(shù)據(jù)存儲器(128～256 kb)和串行通信單元。SIM卡能實(shí)現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)(電話本、短消息等)和在安全條件下(個(gè)人身份號碼PIN、鑒權(quán)鑰Ki正確)完成客戶身份鑒權(quán)和客戶信息加密算法的全過程。這些功能都是由SIM卡內(nèi)的一部具有操作系統(tǒng)的微處理機(jī)完成。SIM卡具有機(jī)卡分離(SIM-ME接口)、通信安全可靠、成本低等特點(diǎn)。 (1) SIM卡的物理特征：可以分尺寸為54 mm×84 mmID-1 SIM(大卡)和尺寸為25 mm×15 mmPlug-in SIM(小卡)兩種。 (2) SIM卡的存儲容量：一般SIM卡有8 kB的存儲容量，另外還有容量分別為16 k和32 k的SIM卡，即STK SIM卡。 (3) SIM卡的使用溫度：標(biāo)準(zhǔn)溫度-25～+70℃，極限溫度-35～85℃，極限情況下每次使用不得超過4小時(shí)，總共使用不得超過100次。 (4) SIM卡的使用壽命：物理壽命是取決于客戶的插拔次數(shù)，約在1萬次左右；而集成電路芯片的壽命取決于數(shù)據(jù)存儲器的寫入次數(shù)，不同廠家 其指標(biāo)有所不同，就Mo-torola經(jīng)試驗(yàn)室試驗(yàn)約5萬次左右。平均壽命約為4年。 3 SIM卡與移動(dòng)臺設(shè)備的接口 SIM卡芯片有8個(gè)觸點(diǎn)，與移動(dòng)臺設(shè)備相互接通： (1) 電源VCC(觸點(diǎn)C1)：4.5～5.5 V，ICC<10 mA； (2) 復(fù)位RST(觸點(diǎn)C2)； (3) 時(shí)鐘CLK(觸點(diǎn)C3)：卡時(shí)鐘3.25 MHz； (4) 不提供(觸點(diǎn)C4)； (5) 接地端GND(觸點(diǎn)C5)； (6) 編程電壓VPP(觸點(diǎn)C6)； (7) 數(shù)據(jù)I／O口(觸點(diǎn)C7)； (8) 不提供(觸點(diǎn)C8)。 SIM卡同移動(dòng)臺設(shè)備連接時(shí)至少需5個(gè)連接線：數(shù)據(jù)I／O口(Data)、復(fù)位(RST)、接地端(GND)、電源(VCC)、時(shí)鐘(CLK)。他與基帶單元的接口電路如圖1所示。其中SIM CD為SIM卡檢測腳，用于檢測SIM卡的拔插；SIM CLK為ME提供的讀／寫SIM卡的參考時(shí)鐘；SIMRST為SIM卡復(fù)位信號；SIM IO為串行數(shù)據(jù)輸入／輸出線，由20 kΩ上拉電阻上拉至高電平；SIM RnW為讀／寫控制信號，用以指示當(dāng)前SIM_IO線上數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较�；SIM PWCTRL為功率控制信號，可在空閑方式時(shí)控制SIM卡上的電源關(guān)閉，從而降低功耗，延長待機(jī)時(shí)間。 4 SIM卡內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) SIM卡共有3類數(shù)據(jù)文件：主文件(Master File，MF)、專用文件(Dedicate File，DF)、基本文件(ElementFile，EF)。組織結(jié)構(gòu)規(guī)定如下： 0x3F00代表根目錄，0x2FXX代表根目錄下的基本文件； 0x7FXX代表一級子目錄，0x6FXX代表一級子目錄下的基本文件； 0x5FXX代表二級子目錄，0x4FXX代表二級子目錄下的基本文件。 5 SIM卡上電復(fù)位流程 SIM卡符合國際標(biāo)準(zhǔn)ISO7816的要求，按照協(xié)議中的規(guī)定，SIM應(yīng)有8個(gè)觸點(diǎn)，包括電源接口、復(fù)位控制接口、時(shí)鐘輸入接口、數(shù)據(jù)輸入輸出接口，SIM卡工作時(shí)整體電流消耗小于10 mA。SIM卡的時(shí)鐘頻率可由外部提供，在指定時(shí)問內(nèi)運(yùn)行鑒權(quán)過程時(shí)至少需要13／4 MHz的時(shí)鐘頻率，其他情況下，使用最小為13／8 MHz的時(shí)鐘頻率。I／O端口的數(shù)據(jù)傳輸波特率為時(shí)鐘頻率的1／372。 5.1 觸點(diǎn)接通與冷復(fù)位時(shí)序(Activation and cold reset) 初始時(shí)，所有端口皆處于低電平(L)態(tài)，電壓范圍0～0.4 V；VCC電源電壓先上電(H態(tài))，后提供VPP編程電壓，在智能SIM卡中，VPP端無用，電壓范圍5 V±0.4 V；VCC電源端穩(wěn)定一段時(shí)間后，將IO端口置為接收方式(H態(tài))，并提供穩(wěn)定的CLK時(shí)鐘信號(注：IO口需在提供CLK信號前或在提供CLK信號后200個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)(ta)置為接收方式)；RST復(fù)位信號需在提供CLK信號后400個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)(tb)保持L態(tài)，之后才可置為H態(tài)；提供復(fù)位信號后400～40 000個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)(tc)，I／O口有復(fù)位應(yīng)答。 5.2 熱復(fù)位時(shí)序(Warm reset) 熱復(fù)位在冷復(fù)位失敗情況下使用，過程中保持VCC為H態(tài)，且有穩(wěn)定的CLK時(shí)鐘信號；熱復(fù)位時(shí)需保持RST端為L態(tài)的時(shí)間至少為400個(gè)時(shí)鐘周期(te)；在RST端置L態(tài)之前或之后200個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)間內(nèi)(td)，IO口應(yīng)置為接收方式；在RST置為H態(tài)后的400～40 000個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，I／O口有復(fù)位應(yīng)答。 5.3 時(shí)鐘停止時(shí)序(Clock stop) 外部控制停止時(shí)鐘，可使SIM卡通信暫時(shí)中斷，過程中保持VCC端與復(fù)位端RST為H態(tài)；要停止時(shí)鐘，需在I／O口輸出最后一個(gè)字符之后等待至少1 860個(gè)時(shí)鐘周期(tg)；恢復(fù)時(shí)鐘后至少等待700個(gè)時(shí)鐘周期(th)，I／O開始有字符輸出。 5.4 觸點(diǎn)釋放時(shí)序(Deactivation) 將RST端置為L態(tài)；結(jié)束CLK輸入并將I／O口置為L態(tài)；最后將VCC端置為L態(tài)。 5.5 SIM卡的復(fù)位應(yīng)答 SIM卡的觸點(diǎn)被激活之后，終端啟動(dòng)一個(gè)冷復(fù)位。如果SIM卡在冷復(fù)位后回送的字節(jié)數(shù)不符，或在19 200個(gè)初始etu之內(nèi)復(fù)位應(yīng)答未完成，終端不立即終止卡片操作過程，而是再發(fā)一個(gè)熱復(fù)位信號。如果仍然得到同樣的結(jié)果，那么，接口沒備應(yīng)釋放觸點(diǎn)，否則卡將繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)操作。流程如圖6所示。 復(fù)位應(yīng)答最多為32個(gè)字節(jié)(包括歷史字符，不包括初始字符)，其中歷史字符最多為15個(gè)字符，協(xié)議分為T=O與T=1兩種，一張SIM卡只支持其中的一種協(xié)議。位持續(xù)時(shí)間：在IO上的位持續(xù)時(shí)間被定義為一個(gè)基本時(shí)間單元etu。復(fù)位應(yīng)答期間的位持續(xù)時(shí)間稱為"初始etu"。初始etu=372／fs=372個(gè)時(shí)鐘周期。復(fù)位應(yīng)答之后的位持續(xù)時(shí)間稱為"當(dāng)前etu"，當(dāng)前etu=F／D／fs。F為時(shí)鐘頻率變換因數(shù)，D為比特率調(diào)整因數(shù)，均在SIM卡復(fù)位應(yīng)答的接口字符TA1中給出，缺省值為F=372，D=1，即復(fù)位應(yīng)答之后的當(dāng)前etu=初始etu。復(fù)位應(yīng)答過程中相連兩字符起始位前沿之間的最小時(shí)間間隔為12個(gè)初始etu，最大時(shí)間間隔為9 600個(gè)初始etu，所有應(yīng)答字符在19 200個(gè)初始etu的時(shí)間內(nèi)傳送完，即從第一個(gè)字符的起始位前沿到最后一個(gè)字符起始位前沿后的12個(gè)初始etu結(jié)束)。 復(fù)位應(yīng)答格式： TS 初始字符(強(qiáng)制性的)，確定后續(xù)字符傳送順序(高位先送還是低位先送)； TO 格式字符(強(qiáng)制性的)； TA1／TB1／TC1／TD1～TAi／TBi／TCi／TDi 接口字符(選擇性的)； T1～TK歷史字符(選擇性的)； TCK 校驗(yàn)字符(有條件的)T=0時(shí)不出現(xiàn)。 6 SIM卡信息交互規(guī)程 6.1 SIM卡信息交互指令格式 6.1.1 命令格式 CLA 命令類別代碼，GSM為0xA0； INS 指令編碼； P1／P2／P3 指令參量，P3由INS決定，代表通訊的數(shù)據(jù)信息長度，有指令與響應(yīng)兩個(gè)方向； DATA 指令附加數(shù)據(jù)。 6.1.2 應(yīng)答格式 DATA：響應(yīng)數(shù)據(jù)； SW1／SW2：返回命令狀態(tài)。 6.1.3 通用錯(cuò)誤返回代碼表 6.2 常用的基本指令 6.2.1 目錄或文件選擇指令(SELECT) 選擇一個(gè)文件，選擇成功后，對線性固定型文件，記錄指針不確定。對循環(huán)型文件，記錄指針指向最近更新或增加的一條記錄。 符選擇；P2=00，應(yīng)答： 目錄地址： 正確命令響應(yīng)為： 0x9F代表命令正確執(zhí)行，XX為SIM卡返回的數(shù)據(jù)長度；返回0x94／0x04，代表給出的目錄地址是錯(cuò)誤的。在復(fù)位應(yīng)答之后(ATR)，主要文件(MF)被默認(rèn)為選中，成為當(dāng)前目錄。然后，可采用符合下列原則的SELECT功能來選擇每種文件： ① 選擇DF或MF設(shè)為當(dāng)前目錄；DF是在選擇任何他的EF之前被先選擇出來 ② 選擇EF設(shè)為當(dāng)前文件，DF或MF是EF的上層。當(dāng)前EF總是當(dāng)前目錄的下層。 可選擇的文件包括：屬于當(dāng)前目錄的直接子文件；屬于當(dāng)前DF的父文件的直接子DF；當(dāng)前月錄的上層；當(dāng)前DF；MF。 6.2.2 取前一命令應(yīng)答數(shù)據(jù)指令(GET RESPONSE) Length(R)：響應(yīng)數(shù)據(jù)最大長度。 全部命令響應(yīng)為： 6.2.3 從透明的數(shù)據(jù)文件中讀取以二進(jìn)制形式存儲的字節(jié)串指令(READ BINARY) Offset：要讀取數(shù)據(jù)的偏移地址； Length(R)：響應(yīng)數(shù)據(jù)最大長度。 全部命令響應(yīng)為： 0x90／0x00代表命令正確執(zhí)行；返回0x94／0x00，代表沒有數(shù)據(jù)文件被選中，即當(dāng)前被選中的可能是目錄而不是文件；返回0x94／0x08，代表當(dāng)前目錄或數(shù)據(jù)文件與指令不一致，即當(dāng)前數(shù)據(jù)不是以二進(jìn)制形式存儲的；返回0x98／0x04，代表本次操作不滿足存取安全規(guī)則，密碼認(rèn)證未通過。 7 SIM卡數(shù)據(jù)讀寫測試 SIM卡數(shù)據(jù)讀寫測試的具體步驟及其結(jié)果如下： Step1 SIM卡首先上電復(fù)位，原則是先接通觸點(diǎn)，后啟動(dòng)冷復(fù)位，若冷復(fù)位失敗，啟動(dòng)熱復(fù)位，若熱復(fù)位也不成功，則釋放觸點(diǎn)并報(bào)錯(cuò)。冷復(fù)位或熱復(fù)位成功后，SIM卡應(yīng)輸出復(fù)位應(yīng)答。 實(shí)驗(yàn)測試中取得的復(fù)位應(yīng)答信號如下： 0x3B代表協(xié)議為正向約定；0x67代表TB1與TC1出現(xiàn)，歷史字符字節(jié)數(shù)為7；0x00代表不需要VPP；0x29～0x22為7個(gè)歷史字符。 Step2 復(fù)位成功后，發(fā)送目錄選擇指令，將當(dāng)前目錄選取到GSM目錄，指令如下： 7F20為GSM目錄地址； SIM卡返回： 代表命令正確執(zhí)行，且響應(yīng)字符有34個(gè)字節(jié)。 Step3 發(fā)送取命令響應(yīng)數(shù)據(jù)指令： 0x22代表指令返回?cái)?shù)據(jù)最大為34個(gè)字節(jié)； S IM卡返回： 0xC0代表響應(yīng)數(shù)據(jù)對應(yīng)的指令為SELECT；0x90／0x00代表命令正確執(zhí)行。 Step4 再次發(fā)送目錄選擇指令，將當(dāng)前目錄選取到IMSI目錄，指令如下： 6F07為IMSI數(shù)據(jù)目錄； SIM卡返回： 代表命令正確執(zhí)行，且響應(yīng)字符有15個(gè)字節(jié)。 Step5：發(fā)送取命令響應(yīng)數(shù)據(jù)指令： 0x0F代表指令返回?cái)?shù)據(jù)最大為15個(gè)字節(jié)； SIM卡返回： 0xC0代表響應(yīng)數(shù)據(jù)對應(yīng)的指令為SELECT；0x90／0x00代表命令正確執(zhí)行。 Step6 選取到所需要進(jìn)行操作的目錄后，執(zhí)行讀取數(shù)據(jù)指令，由于IMSI號是以二進(jìn)制形式存儲的，所以使用二進(jìn)制數(shù)據(jù)讀取指令： 0x00代表數(shù)據(jù)偏移地址為0，即從第一個(gè)字節(jié)開始讀數(shù)據(jù)；0x09表示IMSI信息有9個(gè)字節(jié)； SIM卡返回： 0xB0代表響應(yīng)數(shù)據(jù)對應(yīng)的指令為READ BINARY；0x08代表IMSI號有8個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)；0x90／0x00代表命令正確執(zhí)行。按照協(xié)議，該SIM卡IMSI號即為： 460 00 0104559542，符合國際移動(dòng)用戶識別碼IMSI(International Mobile Subscriber Identification Number)的編碼規(guī)則，即IMSI(國際移動(dòng)用戶識別碼)=MCC(移動(dòng)國家號)+MNC(移動(dòng)網(wǎng)號)+MSISDN(移動(dòng)用戶號碼)。 8 結(jié) 語 SIM卡符合GSM規(guī)范，采用標(biāo)準(zhǔn)的接觸式IC卡，受到ISO7816標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范。本文在研究接觸式集成電路IC卡國際標(biāo)準(zhǔn)ISO7816的基礎(chǔ)之上，提出了一種SIM卡讀卡器的設(shè)計(jì)方案，針對SIM卡信息交互規(guī)程給出了具體的測試步驟，測試結(jié)果證明了該設(shè)計(jì)的可行性，讀卡器能夠穩(wěn)定可靠地工作。 |
