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1 SIM卡(Subscriber Identity Module) 即用戶識別模塊，是一張符合GSM規范的"智慧卡"。SIM卡可以插入任何一部符合GSM規范的移動電話中，"實現電話號碼隨卡不隨機的功能"，而通話費則自動計入持卡用戶的帳單上，與手機無關。 SIM卡作為智能卡中特殊的一類卡，采用標準的接觸式IC卡。他受到ISO7816標準(接觸式集成電路IC卡的規定)和ETSI(歐洲電信標準委員會)的GSM11.11等標準的規范。他沿襲了智能卡在安全中的特色，并在移動用戶認證和移動商務中扮演重要的角色。 目前手機用戶將一些重要的電話號碼都儲存在手機的SIM卡上。如果手機失竊，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，研究并設計了SIM卡讀卡器，通過他可以將手機SIM卡中信息讀取到電腦中，方便地實現電話簿和短消息的編輯、備份和管理。為經常使用手機的用戶提供了一個經濟、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規范"智能卡"，他實際上是一個裝有微處理器的芯片卡，內部有5個模塊，且每個模塊都對應一個功能：CPU(8位)、程序存儲器(3～8 kb)、工作存儲器(6～16 kb)、數據存儲器(128～256 kb)和串行通信單元。SIM卡能實現存儲數據(電話本、短消息等)和在安全條件下(個人身份號碼PIN、鑒權鑰Ki正確)完成客戶身份鑒權和客戶信息加密算法的全過程。這些功能都是由SIM卡內的一部具有操作系統的微處理機完成。SIM卡具有機卡分離(SIM-ME接口)、通信安全可靠、成本低等特點。 (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：標準溫度-25～+70℃，極限溫度-35～85℃，極限情況下每次使用不得超過4小時，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，約在1萬次左右；而集成電路芯片的壽命取決于數據存儲器的寫入次數，不同廠家 其指標有所不同，就Mo-torola經試驗室試驗約5萬次左右。平均壽命約為4年。 3 SIM卡與移動臺設備的接口 SIM卡芯片有8個觸點，與移動臺設備相互接通： (1) 電源VCC(觸點C1)：4.5～5.5 V，ICC<10 mA； (2) 復位RST(觸點C2)； (3) 時鐘CLK(觸點C3)：卡時鐘3.25 MHz； (4) 不提供(觸點C4)； (5) 接地端GND(觸點C5)； (6) 編程電壓VPP(觸點C6)； (7) 數據I／O口(觸點C7)； (8) 不提供(觸點C8)。 SIM卡同移動臺設備連接時至少需5個連接線：數據I／O口(Data)、復位(RST)、接地端(GND)、電源(VCC)、時鐘(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卡的參考時鐘；SIMRST為SIM卡復位信號；SIM IO為串行數據輸入／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，用以指示當前SIM_IO線上數據傳輸的方向；SIM PWCTRL為功率控制信號，可在空閑方式時控制SIM卡上的電源關閉，從而降低功耗，延長待機時間。 4 SIM卡內部數據結構 SIM卡共有3類數據文件：主文件(Master File，MF)、專用文件(Dedicate File，DF)、基本文件(ElementFile，EF)。組織結構規定如下： 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卡上電復位流程 SIM卡符合國際標準ISO7816的要求，按照協議中的規定，SIM應有8個觸點，包括電源接口、復位控制接口、時鐘輸入接口、數據輸入輸出接口，SIM卡工作時整體電流消耗小于10 mA。SIM卡的時鐘頻率可由外部提供，在指定時問內運行鑒權過程時至少需要13／4 MHz的時鐘頻率，其他情況下，使用最小為13／8 MHz的時鐘頻率。I／O端口的數據傳輸波特率為時鐘頻率的1／372。 5.1 觸點接通與冷復位時序(Activation and cold reset) 初始時，所有端口皆處于低電平(L)態，電壓范圍0～0.4 V；VCC電源電壓先上電(H態)，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電源端穩定一段時間后，將IO端口置為接收方式(H態)，并提供穩定的CLK時鐘信號(注：IO口需在提供CLK信號前或在提供CLK信號后200個時鐘周期內(ta)置為接收方式)；RST復位信號需在提供CLK信號后400個時鐘周期內(tb)保持L態，之后才可置為H態；提供復位信號后400～40 000個時鐘周期內(tc)，I／O口有復位應答。 5.2 熱復位時序(Warm reset) 熱復位在冷復位失敗情況下使用，過程中保持VCC為H態，且有穩定的CLK時鐘信號；熱復位時需保持RST端為L態的時間至少為400個時鐘周期(te)；在RST端置L態之前或之后200個時鐘周期時間內(td)，IO口應置為接收方式；在RST置為H態后的400～40 000個時鐘周期內，I／O口有復位應答。 5.3 時鐘停止時序(Clock stop) 外部控制停止時鐘，可使SIM卡通信暫時中斷，過程中保持VCC端與復位端RST為H態；要停止時鐘，需在I／O口輸出最后一個字符之后等待至少1 860個時鐘周期(tg)；恢復時鐘后至少等待700個時鐘周期(th)，I／O開始有字符輸出。 5.4 觸點釋放時序(Deactivation) 將RST端置為L態；結束CLK輸入并將I／O口置為L態；最后將VCC端置為L態。 5.5 SIM卡的復位應答 SIM卡的觸點被激活之后，終端啟動一個冷復位。如果SIM卡在冷復位后回送的字節數不符，或在19 200個初始etu之內復位應答未完成，終端不立即終止卡片操作過程，而是再發一個熱復位信號。如果仍然得到同樣的結果，那么，接口沒備應釋放觸點，否則卡將繼續進行后續操作。流程如圖6所示。 復位應答最多為32個字節(包括歷史字符，不包括初始字符)，其中歷史字符最多為15個字符，協議分為T=O與T=1兩種，一張SIM卡只支持其中的一種協議。位持續時間：在IO上的位持續時間被定義為一個基本時間單元etu。復位應答期間的位持續時間稱為"初始etu"。初始etu=372／fs=372個時鐘周期。復位應答之后的位持續時間稱為"當前etu"，當前etu=F／D／fs。F為時鐘頻率變換因數，D為比特率調整因數，均在SIM卡復位應答的接口字符TA1中給出，缺省值為F=372，D=1，即復位應答之后的當前etu=初始etu。復位應答過程中相連兩字符起始位前沿之間的最小時間間隔為12個初始etu，最大時間間隔為9 600個初始etu，所有應答字符在19 200個初始etu的時間內傳送完，即從第一個字符的起始位前沿到最后一個字符起始位前沿后的12個初始etu結束)。 復位應答格式： TS 初始字符(強制性的)，確定后續字符傳送順序(高位先送還是低位先送)； TO 格式字符(強制性的)； 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 校驗字符(有條件的)T=0時不出現。 6 SIM卡信息交互規程 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，代表通訊的數據信息長度，有指令與響應兩個方向； DATA 指令附加數據。 6.1.2 應答格式 DATA：響應數據； SW1／SW2：返回命令狀態。 6.1.3 通用錯誤返回代碼表 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，應答： 目錄地址： 正確命令響應為： 0x9F代表命令正確執行，XX為SIM卡返回的數據長度；返回0x94／0x04，代表給出的目錄地址是錯誤的。在復位應答之后(ATR)，主要文件(MF)被默認為選中，成為當前目錄。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設為當前目錄；DF是在選擇任何他的EF之前被先選擇出來 ② 選擇EF設為當前文件，DF或MF是EF的上層。當前EF總是當前目錄的下層。 可選擇的文件包括：屬于當前目錄的直接子文件；屬于當前DF的父文件的直接子DF；當前月錄的上層；當前DF；MF。 6.2.2 取前一命令應答數據指令(GET RESPONSE) Length(R)：響應數據最大長度。 全部命令響應為： 6.2.3 從透明的數據文件中讀取以二進制形式存儲的字節串指令(READ BINARY) Offset：要讀取數據的偏移地址； Length(R)：響應數據最大長度。 全部命令響應為： 0x90／0x00代表命令正確執行；返回0x94／0x00，代表沒有數據文件被選中，即當前被選中的可能是目錄而不是文件；返回0x94／0x08，代表當前目錄或數據文件與指令不一致，即當前數據不是以二進制形式存儲的；返回0x98／0x04，代表本次操作不滿足存取安全規則，密碼認證未通過。 7 SIM卡數據讀寫測試 SIM卡數據讀寫測試的具體步驟及其結果如下： Step1 SIM卡首先上電復位，原則是先接通觸點，后啟動冷復位，若冷復位失敗，啟動熱復位，若熱復位也不成功，則釋放觸點并報錯。冷復位或熱復位成功后，SIM卡應輸出復位應答。 實驗測試中取得的復位應答信號如下： 0x3B代表協議為正向約定；0x67代表TB1與TC1出現，歷史字符字節數為7；0x00代表不需要VPP；0x29～0x22為7個歷史字符。 Step2 復位成功后，發送目錄選擇指令，將當前目錄選取到GSM目錄，指令如下： 7F20為GSM目錄地址； SIM卡返回： 代表命令正確執行，且響應字符有34個字節。 Step3 發送取命令響應數據指令： 0x22代表指令返回數據最大為34個字節； S IM卡返回： 0xC0代表響應數據對應的指令為SELECT；0x90／0x00代表命令正確執行。 Step4 再次發送目錄選擇指令，將當前目錄選取到IMSI目錄，指令如下： 6F07為IMSI數據目錄； SIM卡返回： 代表命令正確執行，且響應字符有15個字節。 Step5：發送取命令響應數據指令： 0x0F代表指令返回數據最大為15個字節； SIM卡返回： 0xC0代表響應數據對應的指令為SELECT；0x90／0x00代表命令正確執行。 Step6 選取到所需要進行操作的目錄后，執行讀取數據指令，由于IMSI號是以二進制形式存儲的，所以使用二進制數據讀取指令： 0x00代表數據偏移地址為0，即從第一個字節開始讀數據；0x09表示IMSI信息有9個字節； SIM卡返回： 0xB0代表響應數據對應的指令為READ BINARY；0x08代表IMSI號有8個字節數據；0x90／0x00代表命令正確執行。按照協議，該SIM卡IMSI號即為： 460 00 0104559542，符合國際移動用戶識別碼IMSI(International Mobile Subscriber Identification Number)的編碼規則，即IMSI(國際移動用戶識別碼)=MCC(移動國家號)+MNC(移動網號)+MSISDN(移動用戶號碼)。 8 結 語 SIM卡符合GSM規范，采用標準的接觸式IC卡，受到ISO7816標準的規范。本文在研究接觸式集成電路IC卡國際標準ISO7816的基礎之上，提出了一種SIM卡讀卡器的設計方案，針對SIM卡信息交互規程給出了具體的測試步驟，測試結果證明了該設計的可行性，讀卡器能夠穩定可靠地工作。 |
