Czytnik-programator kart chipowych
P R O J E K T Y
Czytnik-programator kart
chipowych, część 1
AVT-835
PojÍcie ìkarta chipowaî jest nik bÅ‚Ídnych prÛb dostÍpu. Tego
Po raz drugi na Å‚amach EP
bardzo ogÛlne. Praktycznie kaÅ‚dy typu karty produkujÄ… m.in: Atmel,
wracamy do tematu kart
wiÍkszy producent pÛÅ‚przewod- Philips, STM, Xicor, Z-Data.
chipowych. Pierwsze opracowane
nikÛw oferuje jakÄ…Å› odmianÍ kart - Najprostsze karty pamiÍcio-
przez nas urzÄ…dzenie cieszyÅ‚o siÍ
chipowych, ktÛre Å‚Ä…czy najczÍÅ›- we, ktÛrych zawartośĘ nie jest
duÅ‚ym zainteresowaniem wÅ›rÛd
ciej jedno podobieÒstwo - wyglÄ…d zabezpieczona przed dostÍpem
CzytelnikÛw, ale zÅ‚oÅ›liwośĘ losu
zewnÍtrzny. Zazwyczaj podobne z zewnÄ…trz. Tego typu karty pro-
sprawiła, łe wybrane przez nas
funkcje spełniają ich wyprowa- dukują m.in: Atmel, Xicor, Z-
karty bardzo szybko przestały
dzenia oraz protokÛÅ‚ transmisji Data.
byĘ produkowane przez firmÍ
danych do i z karty, lecz dokład- Kałda z wymienionych wersji
Xicor. Z zaistniaÅ‚ych problemÛw
ne specyfikacje interfejsÛw nie kart jest dostÍpna z interfejsem syn-
wyciÄ…gnÍliÅ›my wnioski, zawsze siÍ ìpokrywajÄ…î. chronicznym (SPI, MicroWire lub
Istotne rÛÅ‚nice tkwiÄ… we wnÍt- I2C) lub asynchronicznym. W za-
w zwiÄ…zku z czym, przynajmniej
rzu kart. W zalełności od wyma- lełności od aplikacji matryca pa-
na razie kart nam nie
gaÒ aplikacji dostÍpne sÄ… wersje miÍciowa moÅ‚e byĘ typu EEPROM
zabraknie...
integrujące (nie zanika po odłączeniu zasila-
(przykłady): nia), EPROM lub RAM. W kartach
- Mikrokon- bankomatowych oraztelefonicznych
troler (np. po- matryce EEPROM i EPROM sÄ… po-
chodny í51, Å‚Ä…czone w jeden obszar adresowy.
ST9, AVR) od- Poniewał zawartości EPROMu nie
powiadający mołna zmodyfikowaĘ zapisywane
za komunika- sÄ… w nim np. informacje charakte-
cjÍ z otocze- ryzujÄ…ce wydawcÍ karty, co jest
niem z pamiÍ- jednym z elementÛw umoÅ‚liwiajÄ…-
ciÄ… programu cych jej weryfikacjÍ. W matrycy
i duÅ‚Ä… pamiÍ- EEPROM zapisywane sÄ… inne in-
ciÄ… danych formacje, ktÛre muszÄ… zmieniaĘ siÍ
oraz - bardzo w czasie (np. ilośĘ dostÍpnych im-
czÍsto - kryp- pulsÛw, kod PIN, czy teÅ‚ numer
tokontroler, referencyjny ułytkownika telefonu).
czyli sprzÍto- Czytelnikom zainteresowanym
wy koprocesor nieco bardziej szczegÛÅ‚owymi infor-
umołliwiający macjami na temat kryptograficznych
szyfrowanie kart chipowych polecam artykuł,
i deszyfrowa- ktÛry opublikowaliÅ›my w EP1/99.
Rys. 1. Schemat wnętrza karty X24026.
nie danych.
Jednym z najwiÍkszych pro-
Parametry elektryczne kart X24026:
ducentÛw tego typu kart sÄ…:
Interfejs: ........................................... I2C
Atmel, Philips oraz STM.
Maksymalna częstotliwość
- Nieco prostsze karty
taktowania: ............................... 100kHz
z mikrokontrolerami, ktÛre
Organizacja: ........................... 256 x 8
procedury szyfrujÄ…ce majÄ…
Napięcie zasilania: ................ 4,5..5,5V
ìzaszyteî we fragmentach
Pobór prądu w stanie
pamiÍci programu. Tego ty-
aktywnym (odczyt): ...................... 1mA
pu karty produkujÄ… m.in:
Pobór prądu w stanie
Atmel, Philips, STM, Z-Data.
aktywnym (zapis): ........................ 2mA
- Karty spełniające bez-
Typowy czas trwania zapisu: ..... 5ms
piecznych, przenośnych pa-
Ilość gwarantowanych
miÍci danych, ktÛrych integ-
cykli zapisu: ............................. 100000
ralnym elementem jest mo-
Gwarantowany czas
Rys. 2. Obudowa i wyprowadzenia
duł weryfikacji hasła i licz-
przechowywania danych: ....... 100 lat
karty X24026Y (skala nie zachowana).
Elektronika Praktyczna 10/99
67
Czytnik-programator kart chipowych
I2C. BudowÍ i sposÛb programo- sÅ‚owa x 32 bity), a takÅ‚e dwukie-
wania wykorzystanej przeze mnie runkowy, przesuwny rejestr da-
karty X24026 firmy Xicor omÛwiÍ nych, ktÛry odpowiada za kon-
szczegÛÅ‚owo, co pozwoli wielu wersjÍ szeregowo-rÛwnolegÅ‚Ä… i od-
naszym Czytelnikom samodzielnie wrotnie.
wykonaĘ dla niej programator.
Rys. 3. Warunki Start i Stop.
Schemat blokowy karty znajdu- TrochÍ banaÅ‚Ûw na
je siÍ na rys. 1. Jest to - jak widaĘ poczÄ…tek
- standardowa pamiÍĘ EEPROM ZacznÍ od omÛwienia zagad-
z interfejsem I2C, ze zintegrowanÄ… nieÒ pozornie oczywistych, czyli
w strukturze przetwornicÄ… napiÍ- sposobu wymiany przez kartÍ in-
cia programujÄ…cego oraz timerem. formacji z otoczeniem. DziÍki za-
JedynÄ… rÛÅ‚nicÄ… w stosunku do stosowaniu interfejsu I2C protokÛÅ‚
wersji dostÍpnych w kaÅ‚dym skle- transmisji danych do i z karty
Rys. 4. Sposób taktowania danych.
pie elektronicznym jest jej obu- jest, z małymi wyjątkami, iden-
tyczny, jak w innych ukła-
dach I2C. Kałda ramka da-
nych rozpoczyna siÍ od zna-
ku Start, a koÒczy siÍ zna-
kiem Stop (rys. 3). Linia
SCL speÅ‚nia rolÍ zegara wy-
znaczającego szybkośĘ pracy
transmisji. Na rys. 4 wi-
doczny jest sposÛb taktowa-
nia danych i obszary (w
czasie), w ktÛrych stan linii
Rys. 5. Sposób powstawania sygnału ACK na szynie danych.
danych moÅ‚e siÍ zmieniaĘ.
dowa, ktÛra jest po prostu plas- KaÅ‚da paczka danych (najczÍÅ›ciej
tikową kartą z wyprowadzonym bajt) jest kwitowana przez układ
stykowym złączem (rys. 2), zgod- odbierający impulsem potwierdza-
nym ze standardem ISO7816. jÄ…cym ACK, ktÛry pojawia siÍ na
We wnÍtrzu karty X24026 zna- szynie danych SDA podczas dzie-
jdujÄ… siÍ wszystkie elementy nie- wiÄ…tego impulsu zegarowego SCL
Rys. 6. Bajt adresowy karty i
zbÍdne do jej poprawnej pracy: (rys. 5). Jest to najprostsza z moÅ‚-
pamięci X24026.
liwych forma zwrotnego porozu-
miewania siÍ odbiornika z nadaj-
nikiem, ktÛry w przypadku braku
impulsu ACK mołe np. podjąĘ
prÛbÍ ponownego przesÅ‚ania da-
nych do odbiornika.
Nadajnik inicjujÄ…cy transmisjÍ
danych zawsze rozpoczyna od
znaku Start i nastÍpnie wysyÅ‚a
adres odbiornika, dla ktÛrego bÍ-
Rys. 7. Sposób adresowania wybranej komórki pamięci EEPROM.
Rys. 8. Sekwencyjny dostęp do pamięci EEPROM.
Nasza karta kompletny interfejs szeregowy I2C dÄ… przekazywane lub skÄ…d bÍdÄ…
Z powodu znacznych trudności pracujący w trybie Slave (z detek- odbierane informacje oraz infor-
z kupieniem kart chipowych z za- torem warunkÛw Start i Stop, macjÍ okreÅ›lajÄ…cÄ… rodzaj operacji
bezpieczonym dostÍpem i matrycÄ… komparatorem adresu Slave oraz przewidzianej do wykonania (za-
EEPROM postanowiliÅ›my obniÅ‚yĘ generatorem potwierdzenia ACK), pis/odczyt). Na rys. 6 znajduje siÍ
nieco poprzeczkÍ i wykorzystaĘ licznik-rejestr adresowy z dekode- ilustracja prezentujÄ…ca budowÍ
w projekcie najprostsze karty pa- rami matrycy pamiÍciowej EEP- ramki adresowej. Cztery najstarsze
miÍciowe (EEPROM) z interfejsem ROM (ma ona organizacjÍ 64 bity (podkreÅ›lone ciemniejszym
Elektronika Praktyczna 10/99
68
Czytnik-programator kart chipowych
tÛw. NajmÅ‚odszy bit ramki prze- trwa w sumie 5 ms (czyli tyle
nosi informacje o tym, czy nastÄ…pi samo, ile podczas zapisu pojedyn-
zapis do zaadresowanego układu, czego bajtu), szybkośĘ operacji na
czy teÅ‚ odczyt z niego. pamiÍci znacznie siÍ zwiÍksza.
DziÍki organizacji matrycy pa- Pewnym problemem podczas
miÍciowej w 64 komÛrki 32-bito- zapisywania pamiÍci jest spraw-
we mołliwe są dwa sposoby jej dzenie, czy jest ona gotowa do
zapisu: dalszej pracy, czyli, czy minÄ…Å‚
- Standardowy, o dostÍpie lo- czas niezbÍdny do poprawnego
sowym. Nadaje siÍ on idealnie do zaprogramowania matrycy EEP-
zapisywania pojedynczych bajtÛw ROM. PoniewaÅ‚ czas trwania we-
lub wielu bajtÛw ulokowanych wnÍtrznego impulsu programujÄ…-
pod oddalonymi adresami. Taki cego ulega zmianie w zalełności
sposÛb zapisu wymaga kaÅ‚dorazo- od wartoÅ›ci napiÍcia zasilajÄ…cego,
wego wysÅ‚ania do pamiÍci adresu temperatury otoczenia i sumarycz-
zapisywanej komÛrki (rys. 7). nej liczby wszystkich wczeÅ›niej-
- Stronicowany, o dostÍpie sek- szych zapisÛw pamiÍĘ wyposaÅ‚o-
wencyjnym. Ten tryb pracy po- no w generator sygnału aktywnoś-
zwala na skrÛcenie czasu zapisu ci. Na rys. 9 znajduje siÍ algorytm
danych do matrycy pamiÍciowej, odpytywania karty o gotowośĘ po
poniewaÅ‚ zapisywane jest jedno- dowolnym wpisie. RealizacjÍ tego
czeÅ›nie jej 32 bity, ktÛre uÅ‚ytkow- algorytmu moÅ‚na oczywiÅ›cie po-
nik wpisuje w postaci czterech minąĘ, zastÍpujÄ…c go programo-
bajtÛw. Na rys. 8 widoczny jest wym licznikiem czasu, ktÛry od-
przebieg obrazujący cały proces mierzy bezpieczny - z punktu wi-
Rys. 9. Algorytm odpytywania o
wpisu. Jak łatwo zauwałyĘ pod- dzenia dopuszczalnych wartości
koniec zapisu matrycy EEPROM.
czas wpisu stronicowanego tylko parametrÛw czasowych karty -
raz jest wysyłany adres karty okres 10..12 ms.
kolorem szarym) okreÅ›lajÄ… adres (Slaveía), poczÄ…tkowy adres wpisu Piotr ZbysiÅ„ski, AVT
@
układu, trzy kolejne (podkreślone (N), pomijane są takłe znaki Stop piotr.zbysinski@
@ep.com.pl
@
@
kolorem jasnoszarym) są zarezer- po kałdej przesłanej danej. Biorąc
wowane. W sumie wynikowy ad- dodatkowo pod uwagÍ, Å‚e czas
res układu określa wszystkie 7 bi- programowania matrycy EEPROM
Elektronika Praktyczna 10/99
69