DS8007芯片在智能卡交易中的應(yīng)用

本應(yīng)用筆記介紹了一個基于 DS8007 多協(xié)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(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)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(tǒng)沒有進(jìn)行任何與"實際"支付交易系統(tǒng)有關(guān)的安全測試，但這里演示的功能對于此類系統(tǒng)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(jīng)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(shù)據(jù)文件，也可以與應(yīng)用系統(tǒng)通信。評估板還包括 512k x 8 的電池備份 SRAM，用于存儲程序和數(shù)據(jù)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(fā)該應(yīng)用系統(tǒng)使用的軟件工具集是 Keil 公司的 PK51 專業(yè)開發(fā)工具套件，包括μVision3?集成開發(fā)環(huán)境(IDE)和 CX51 ANSI C 編譯器。PK51 包提供匯編器、連接器、仿真器和調(diào)試器的完整開發(fā)環(huán)境。它生成的十六進(jìn)制文件可使用 MTK 軟件直接從 PC 下載到 DS8007 評估板。

應(yīng)用實例
本應(yīng)用筆記提供的交易功能可看作是應(yīng)用筆記 4036： 利用 DS8007 評估套件進(jìn)行設(shè)計中描述的低層功能之上的附加層。

本交易實例可執(zhí)行和正確管理應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元(APDU)的發(fā)送和接收。APDU 由 ACOS3 智能卡 EMV 規(guī)范定義。通過生成和發(fā)送適當(dāng)?shù)?APDU 并處理其可能的響應(yīng)，可演示典型的支付交易操作。

用于本應(yīng)用系統(tǒng)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(yīng)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(qū)動函數(shù)和所有直接的低層智能卡接口函數(shù)。AN4036 中的代碼也在相同的網(wǎng)址提供下載，文件名為 AN4036_SW.zip。

交易實例詳述

為創(chuàng)建一組有代表性的交易功能，本實例實現(xiàn)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(shù)設(shè)定為初始值

卡中初始金額為$100.00，初始交易次數(shù)在初始化交易過程中被設(shè)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(shè)計目標(biāo)之一是無需借助其它設(shè)備就能單機(jī)運(yùn)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(guān) SW4，當(dāng)該開關(guān)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(yīng)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(qū)動電路上拉到高電平，按下開關(guān) SW4 時通過一個 1kΩ電阻拉至低電平。應(yīng)用系統(tǒng)可簡單通過讀取該引腳的電平檢測開關(guān)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(qū)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(jìn)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(fù)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(guān) SW4 時，軟件執(zhí)行選中的交易。

智能卡詳述
本應(yīng)用實例中選用的智能卡是香港 Advanced Card Systems Limited (ACS)公司生產(chǎn)的 ACOS3 卡。該卡內(nèi)含嵌入式處理器，運(yùn)行 ACS 智能卡操作系統(tǒng)版本 3 (ACOS3)的操作系統(tǒng)，具有如下特性：

16kB 應(yīng)用數(shù)據(jù) EEPROM 存儲器

符合 ISO 7816-1/2/3 標(biāo)準(zhǔn)，T = 0 協(xié)議

兼容數(shù)字加密標(biāo)準(zhǔn)(DES)、3DES 和信息驗證能力(MAC)

5 個安全碼 + 發(fā)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(jī)數(shù)字

線性文件具有固定的記錄長度

帳戶數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)安全支付應(yīng)用系統(tǒng)

ACOS3 性能的全部說明可在 ACS 網(wǎng)站上找到。對于本應(yīng)用實例，沒有使用智能卡的任何安全功能，只使用其文件結(jié)構(gòu)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(shù)值保存在卡中：記錄成功處理的交易次數(shù)的"計數(shù)器"和虛擬帳戶的"余額"。對于該計數(shù)器，選用 1 個字節(jié)的無符號數(shù)，它可表示 0 至 255 次交易數(shù)。對于余額，選用 16 位整數(shù)，可表示數(shù)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(chǎn)生負(fù)的余額)。因此，本實例中總共需要 3 個字節(jié)的非易失存儲器。

ACOS3 的文件結(jié)構(gòu)

制造 ACOS3 卡時，其 16kB EEPROM 存儲器劃分成內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲區(qū)和用戶數(shù)據(jù)存數(shù)區(qū)兩部分。內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲區(qū)保存配置數(shù)據(jù)，通常被操作系統(tǒng)用于管理特定的功能。用戶數(shù)據(jù)存儲區(qū)保存"實際"交易控制下正常使用智能卡的操作數(shù)據(jù)。在本實例代碼中，只使用內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲區(qū)，后續(xù)討論中將重點關(guān)注內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲區(qū)。

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

所有文件都可通過 ACOS3 的讀記錄和寫記錄命令進(jìn)行訪問。這些命令發(fā)送到智能卡，而任何響應(yīng)都會被應(yīng)用筆記 4036 中提供的 APDU 函數(shù)接收。每個文件都由 2 字節(jié)的文件標(biāo)識符來識別。對于所有內(nèi)部數(shù)據(jù)文件，標(biāo)識符的第一個字節(jié)固定為 0xFF。表 1 列出了內(nèi)部數(shù)據(jù)文件的文件名、文件標(biāo)識符和記錄結(jié)構(gòu)。

表 1. 內(nèi)部數(shù)據(jù)文件信息

個性化文件 ID = 0xFF 0x02，包含三個記錄共 12 字節(jié)，各記錄的長度為 4 個字節(jié)。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(yù)先定義。因此，這兩個記錄被用于保存本應(yīng)用實例中智能卡的交易次數(shù)和帳戶余額。雖然單個記錄具有足夠的存儲空間(4 個字節(jié))來保存交易次數(shù)和帳戶余額所需的三個字節(jié)，但這兩個數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的值成為可能。交易次數(shù)存儲在記錄 2 的第一個字節(jié)，而帳戶余額則存儲在記錄 3 的前兩個字節(jié)，高字節(jié)在前(大端)。

ACOS3 命令結(jié)構(gòu)

ACOS3 卡有 13 條基本命令，本應(yīng)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(jìn)行說明。ACOS3 卡的所有命令都符合 EMV 規(guī)范描述的應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)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(shù) 1

P2 指令參數(shù) 2

Lc(P3)命令數(shù)據(jù)域給出的字節(jié)數(shù)(可選)

命令發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)中的數(shù)據(jù)序列

Le 應(yīng)答中數(shù)據(jù)域所期望的數(shù)據(jù) 字節(jié)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(jié)命令，格式為：

個性化文件是本應(yīng)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(jié)。與所有 ACOS3 命令一樣，執(zhí)行成功后返回 2 字節(jié)狀態(tài)信息，其數(shù)值為 0x90 0x00。若返回任何其它數(shù)值則表明命令執(zhí)行錯誤。在前面提到的 ACS 網(wǎng)站上，ACOS3 參考手冊中列出了所有可能的錯誤狀態(tài)字節(jié)及其含義。

讀記錄命令
讀記錄命令可從當(dāng)前所選文件的已識別記錄中讀取指定數(shù)量的字節(jié)。它是一個 5 字節(jié)命令，格式為：

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

寫記錄命令
寫記錄命令可向當(dāng)前所選文件的指定記錄寫入數(shù)據(jù)。該命令的長度可以隨著要寫入的字節(jié)數(shù)變化。在本實例中，每次都寫入 4 個字節(jié)，因此該命令具有如下所示的格式：

可以看出，該命令總共包含 6 個可變字節(jié)；一個字節(jié)指示記錄號(0 至 N-1)，另一個字節(jié)指示要寫入的字節(jié)數(shù)(長度 = 0x04)，此外還有四個數(shù)據(jù)字節(jié)。若寫記錄命令執(zhí)行成功，將返回兩字節(jié)狀態(tài)信息(執(zhí)行成功時返回 0x90 0x00)。

裝載可執(zhí)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(xiàn)"在下面的大插槽中插入智能卡"，則表明已經(jīng)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(yīng)用筆記 4036 (參看上文)說明了如何裝載應(yīng)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(wǎng)站下載。

在安裝完交易軟件并斷開引導(dǎo)加載程序之后，處理器就立即開始運(yùn)行應(yīng)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(yīng)用程序的 RS-232 串行輸出。這些信息可用于分析和調(diào)試，但可以忽略。用戶應(yīng)按照 LCD 模塊上顯示的指令進(jìn)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(dāng)前交易次數(shù)和帳戶余額。然后，LCD 上就開始循環(huán)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(dāng)期望的交易選項出現(xiàn)時，按下 SW4 開關(guān)就可執(zhí)行該項交易。這時 LCD 上會顯示交易執(zhí)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(huán)顯示，等待智能卡插入。

結(jié)束語
本應(yīng)用筆記介紹一個基于 DS8007 多協(xié)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(tǒng)。系統(tǒng)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(tǒng)可實現(xiàn)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(chǔ)開發(fā)真正的支付交易系統(tǒng)。

審核編輯 黃昊宇