基于多協議雙智能卡接口芯片和安全微控制器的智能卡支付交易系統

文章出處：http://hz-huyue.com 作者：華星達電子   人氣： 發表時間：2011年09月27日

    本應用筆記介紹了一個基于DS8007多協議雙智能卡接口芯片和DS5002安全微控制器的智能卡支付交易系統。該系統可實現基本的智能卡存款、取款交易以及卡的初始化功能。雖然系統沒有進行任何與“實際”支付交易系統有關的安全測試，但這里演示的功能對于此類系統極具代表性。

    演示中使用的硬件是DS8007評估(EV)板。該評估套件提供了一個方便的、經過驗證的平臺，用于測試基于DS8007器件的智能卡操作。評估板包括：作為主處理器的DS5002安全微控制器、一個2行20字符的液晶顯示(LCD)模塊、兩個智能卡插槽(分別為信用卡尺寸和SIM尺寸)。此外還提供一個DB-9連接器，用于通過RS-232串行接口傳輸信號。使用本公司的微控制器工具包(MTK)軟件(下載)，用戶可將PC與RS-232口連接下載程序或數據文件，也可以與應用系統通信。評估板還包括512k x8的電池備份SRAM，用于存儲程序和數據信息。DS5002安全處理器為電池備份的SRAM提供電源檢測和控制電路。

    開發該應用系統使用的軟件工具集是Keil公司的PK51專業開發工具套件，包括μVision3集成開發環境(IDE)和CX51 ANSI C編譯器。PK51包提供匯編器、連接器、仿真器和調試器的完整開發環境。它生成的十六進制文件可使用MTK軟件直接從PC下載到DS8007評估板。

    應用實例

    本應用筆記提供的交易功能可看作是應用筆記4036：利用DS8007評估套件進行設計中描述的低層功能之上的附加層。

    本交易實例可執行和正確管理應用協議數據單元(APDU)的發送和接收。APDU由ACOS3智能卡EMV規范定義。通過生成和發送適當的APDU并處理其可能的響應，可演示典型的支付交易操作。

    用于本應用系統的C語言源代碼可提供下載，文件名為AN4120_SW.zip。前面提到的應用筆記4036中的代碼是這些交易實例的核心，它提供DS8007的所有基本接口/驅動函數和所有直接的低層智能卡接口函數。AN4036中的代碼也在相同的網址提供下載，文件名為AN4036_SW.zip。

    交易實例詳述

    為創建一組有代表性的交易功能，本實例實現了三種主要的智能卡操作：

    * 取款交易，即扣除信用卡余額

    * 存款交易，即增加信用卡余額 

    * 信用卡初始化交易，將信用卡余額和交易次數設定為初始值

    卡中初始金額為$100.00，初始交易次數在初始化交易過程中被設定為1。為簡化實例，每次存款、取款交易都固定在信用卡余額中增加或扣除$10.00。

    為了提供一個合理的演示，首先要考慮的是如何利用DS8007評估板上的資源建立一個用戶接口。由于設計目標之一是無需借助其它設備就能單機運行，因此評估板上的RS-232串口不能作為用戶接口。最方便作為用戶輸入接口的硬件是開關SW4，當該開關按下時，會將處理器的端口引腳P3.2下拉至地電平。P3.2是一個多功能端口引腳，還可用作外部中斷輸入(INT0)。但是本應用實例軟件中不使能該中斷，因此，引腳P3.2通常由處理器的引腳驅動電路上拉到高電平，按下開關SW4時通過一個1kΩ電阻拉至低電平。應用系統可簡單通過讀取該引腳的電平檢測開關是否閉合。

    板載LCD模塊可作為用戶接口的輸出器件。DS8007評估板的LCD模塊是一個2行20字符的顯示器。它包含液晶驅動電路，并為處理器提供8位并行接口。通過向模塊寫入必要的控制和字符就可進行顯示操作，由模塊管理實際的LCD。

    用戶完成一次輸入，軟件就以重復順序在LCD上顯示三種可能的交易類型供用戶選擇。按下開關SW4時，軟件執行選中的交易。

    智能卡詳述

    本應用實例中選用的智能卡是香港Advanced Card Systems Limited(ACS)公司生產的ACOS3卡。該卡內含嵌入式處理器，運行ACS智能卡操作系統版本3 (ACOS3)的操作系統，具有如下特性：

    * 16kB應用數據EEPROM存儲器
    * 符合ISO 7816-1/2/3標準，T=0協議
    * 兼容數字加密標準(DES)、3DES和信息驗證能力(MAC)
    * 5個安全碼+發行密碼
    * 卡持有者可更新PIN碼
    * 密鑰對相互驗證 
    * 會話密鑰采用隨機數字
    * 線性文件具有固定的記錄長度
    * 帳戶數據結構可實現安全支付應用系統
    * ACOS3性能的全部說明可在ACS網站上找到。對于本應用實例，沒有使用智能卡的任何安全功能，只使用其文件結構和EEPROM存儲空間。

    智能卡存儲空間

    本交易實例中，選用的智能卡必須包含一定的非易失存儲器空間，用于保存信息。僅有兩個數值保存在卡中：記錄成功處理的交易次數的"計數器"和虛擬帳戶的"余額"。對于該計數器，選用1個字節的無符號數，它可表示0至255次交易數。對于余額，選用16位整數，可表示數值-32,768至+32,767。這種方式允許用戶透支卡中的可用余額(即產生負的余額)。因此，本實例中總共需要3個字節的非易失存儲器。

    ACOS3的文件結構

    制造ACOS3卡時，其16kB EEPROM存儲器劃分成內部數據存儲區和用戶數據存數區兩部分。內部數據存儲區保存配置數據，通常被操作系統用于管理特定的功能。用戶數據存儲區保存"實際"交易控制下正常使用智能卡的操作數據。在本實例代碼中，只使用內部數據存儲區，后續討論中將重點關注內部數據存儲區。

    不論是內部數據存儲區還是用戶數據存儲區，訪問ACOS3卡的存儲器都要通過數據文件和數據記錄進行。每個數據文件都由一定數量的數據記錄組成，最多可達255個。不同數據文件的記錄長度可以不同，但對于給定的數據文件其記錄長度總是固定的。內部數據文件的文件結構(文件大小、記錄長度等)由操作系統定義且不能更改，但對于用戶數據存儲區，可由卡發行人在進行個性化智能卡設置時確定其文件結構。為簡單起見，只使用卡中已有的內部數據文件系統，不再生成一個專門的用戶數據文件系統。

    所有文件都可通過ACOS3的讀記錄和寫記錄命令進行訪問。這些命令發送到智能卡，而任何響應都會被應用筆記4036中提供的APDU函數接收。每個文件都由2字節的文件標識符來識別。對于所有內部數據文件，標識符的第一個字節固定為0xFF。表1列出了內部數據文件的文件名、文件標識符和記錄結構。

    個性化文件ID=0xFF 0x02，包含三個記錄共12字節，各記錄的長度為4個字節。第一個記錄包含智能卡中某些選項的配置信息，而第二和第三個記錄則沒有預先定義。因此，這兩個記錄被用于保存本應用實例中智能卡的交易次數和帳戶余額。雖然單個記錄具有足夠的存儲空間(4個字節)來保存交易次數和帳戶余額所需的三個字節，但這兩個數據還是存儲在不同的記錄中以便操作。這也使得增大這兩個數據的值成為可能。交易次數存儲在記錄2的第一個字節，而帳戶余額則存儲在記錄3的前兩個字節，高字節在前(大端)。

    ACOS3命令結構

    ACOS3卡有13條基本命令，本應用實例中主要用到其中的三條命令。它們分別是文件選擇、讀記錄和寫記錄命令。這三條命令都將在后面進行說明。ACOS3卡的所有命令都符合EMV規范描述的應用協議數據單元(APDU)的格式。APDU的一般格式包括如下幾部分：

    * CLA命令類
    * INS指令代碼
    * P1指令參數1
    * P2指令參數2
    * Lc(P3)命令數據域給出的字節數(可選)
    * 命令發送數據字節中的數據序列
    * Le應答中數據域所期望的數據字節最大長度(可選)

    文件選擇命令

    文件選擇命令可打開文件，從而讀/寫文件的記錄。它是一個7字節命令

    個性化文件是本應用中用到的唯一文件(見表1)，它的文件ID 0xFF 0x02為命令的最后兩個字節。與所有ACOS3命令一樣，執行成功后返回2字節狀態信息，其數值為0x90 0x00。若返回任何其它數值則表明命令執行錯誤。在前面提到的ACS網站上，ACOS3參考手冊中列出了所有可能的錯誤狀態字節及其含義。

    讀記錄命令

    讀記錄命令可從當前所選文件的已識別記錄中讀取指定數量的字節。它是一個5字節命令 

    可以看出，該命令包含兩個可變字節：一個字節指示記錄號，另一個字節指示要從指定記錄中讀取的字節數(長度)。在本應用實例中，每次都讀取個性化文件記錄的全部四個字節，因此長度固定為0x04。若讀記錄命令執行成功，將返回6字節數據：記錄中存儲的4字節信息，2字節狀態信息。若返回的狀態字節數值不是0x90 0x00，則表明命令執行錯誤，應丟棄返回的數據。

    寫記錄命令

    寫記錄命令可向當前所選文件的指定記錄寫入數據。該命令的長度可以隨著要寫入的字節數變化。在本實例中，每次都寫入4個字節，

    該命令總共包含6個可變字節；一個字節指示記錄號(0至N-1)，另一個字節指示要寫入的字節數(長度 = 0x04)，此外還有四個數據字節。若寫記錄命令執行成功，將返回兩字節狀態信息(執行成功時返回0x90 0x00)。

    裝載可執行文件 

    DS8007評估板出廠時已裝有本智能卡交易實例的軟件。若要驗證是否安裝了該軟件，可以給評估板通電然后觀察顯示屏。如果顯示屏上出現"在下面的大插槽中插入智能卡"，則表明已經加載了程序。如果沒有顯示這條信息，則可通過MTK軟件將交易軟件裝載到板上的電池備份SRAM中。應用筆記4036 (參看上文)說明了如何裝載應用程序。要裝載的文件為Trans.hex，包含在AN4120_SW.zip中，可從上面提到的ftp網站下載。

    在安裝完交易軟件并斷開引導加載程序之后，處理器就立即開始運行應用程序。如果評估板此時仍然連接至PC，則MTK屏幕上會顯示應用程序的RS-232串行輸出。這些信息可用于分析和調試，但可以忽略。用戶應按照LCD模塊上顯示的指令進行操作。如果必要，可分析源代碼以確定串行輸出的含義。

    插入智能卡后，LCD上會短暫的顯示智能卡的當前交易次數和帳戶余額。然后，LCD上就開始循環顯示交易選項 — 取款、存款和智能卡初始化，大約每兩秒鐘按順序變化一次。當期望的交易選項出現時，按下SW4開關就可執行該項交易。這時LCD上會顯示交易執行情況。之后顯示交易完成信息，指示用戶取下智能卡。此時，交易選項將循環顯示，等待智能卡插入。

    結束語

    本應用筆記介紹一個基于DS8007多協議雙智能卡接口芯片和DS5002安全微控制器的智能卡支付交易系統。系統中使用具有16kB EEPROM存儲器的ACOS3智能卡，并利用它的讀記錄和寫記錄命令將信息存儲到非易失存儲器中。反饋信息通過板載的2行20字符LCD提供給用戶。系統可實現存款、取款交易和智能卡初始化功能。提供源代碼文件下載，可以此為基礎開發真正的支付交易系統。