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Mifare1卡及其讀寫器ASIC模塊之“密碼操作”研究與其應用程序開發
作者：智薈科技
日期：2008-06-18 16:05:56
摘要：非接觸式智能卡已經廣泛地應用于各類門禁控制系統，公共交通支付系統，e－purse系統，高速公路不停車收費系統，IBMS（智能大樓管理系統），海關過境身份識別，以及醫療保險系統等等。
關鍵詞：RFID
關鍵字： 非接觸式智能卡 ASIC模塊
1、序言
非接觸式智能卡已經廣泛地應用于各類門禁控制系統，公共交通支付系統，e－purse系統，高速公路不停車收費系統，IBMS（智能大樓管理系統），海關過境身份識別，以及醫療保險系統等等。
非接觸式智能卡以其高度安全保密性，通信高速性，使用方便性，成本日漸低廉等而受到廣泛使用，給我們的生活質量帶來了很大的提高。因此，如何認識、理解智能卡，特別是帶有非常神秘色彩的非接觸式智能卡，已引起很多智能卡的使用者，包括智能卡專業研發的IT科研人員的極大的興趣和愛好。筆者在此很愿意將自己多年來在智能卡（接觸式智能卡及非接觸式智能卡）方面的研究及其軟硬件應用開發的經驗與大家一同交流和分享，以取得我國金卡工程事業的更進一步的發展。
在此，筆者將以符合ISO/IEC14443TYPEA標準的Mifare1S50系列非接觸式智能卡及其讀寫設備專用IC（ASIC）RC150/170模塊為對象，與大家一起就“關于非接觸式智能卡及其讀寫器ASIC模塊之‘密碼操作’”作一些研究與探討，并將用標準的Intel－51系列微處理器匯編語言進行實際的應用程序的開發。在筆者曾設計和開發的眾多智能卡項目中，本文所給出的應用程序都有著良好的運行效果。
2、非接觸式智能卡及其讀寫器ASIC模塊RC150/170
Mifare1S50非接觸式智能卡片有著16個Sector(扇區)；每個Sector包含4個Block（塊）；每個Block具有16個byte的存儲容量。Sector被定義為Sector0至Sector15；Block被分為Block0至Block3；整個Mifare1S50非接觸式智能卡共有64個Block。
Sector0中的Block0記錄了該張智能卡的序列號（SerialNumber）以及生產廠商的標志信息等，這些信息已在卡片出廠時固化，不能更改。因此該Block不能再復用為應用數據塊。
每個Sector中的Block3被特別用來存放對該Sector中應用塊Block0,1,2及其本身Block3進行數據存取的密碼及存取權限。整個Mifare1S50非接觸式智能卡共有16個Block3。根據絕對地址編址，他們可被編為Block3（在Sector0中），Block7（在Sector1中），Block11（在Sector2中），以及Block63（在Sector15中）等等。
對于某一Sector中的Block3的絕對地址編址可以由下列公式計算得到：
Block X=(N＋1)＊4－1
其中：X：絕對地址編址的Block塊號
N：Sector扇號，0至15
Block3有16個byte組成。前6個字節是密碼A（KEYA），KEYA的缺省值可能為“A0A1A2A3A4A5”；最后6個字節是密碼B（KEYB），KEYB的缺省值可能為“B0B1B2B3B4B5”；中間4個字節是控制字節，缺省值可能為“FFH07H80H69H”；利用KEYA或KEYB并遵守早已定義在4個控制字節中的存取條件，我們便能對該密碼（KEYA或KEYB）所對應的Sector內的應用塊Block0,1,2進行數據讀／寫／更新等操作。
由于非接觸式智能卡的操作，包括數據流的傳遞等都是以“非接觸”方式來完成的，因此在MCU與非接觸式智能卡之間必須有一個傳遞密碼（或數據流）的中間媒體，即ASIC模塊。RC150/170就是這樣一種ASIC模塊。它擔負著非接觸式智能卡與MCU（微處理機）之間所有的密碼／數據相互傳遞的重要任務。對非接觸式智能卡進行密碼操作，變成對RC150/170ASIC模塊進行密碼操作。RC150/170ASIC模塊與非接觸式智能卡之間的信息傳遞（包括密碼等）對用戶來說是透明的，會自動傳遞并完成。因此如何對非接觸式智能卡進行“密碼操作”（對Block3的操作）變成如何對RC150/170ASIC模塊進行密碼操作。Philips公司的MCM200模塊，MCM500模塊或SB201,SB601（Uni－VisionEngineeringLtd.的產品）模塊中都包含有RC150/170ASIC模塊，因此本文所討論的內容，包括下面設計的程序等，也適用于這些模塊。RC170是RC150的新一代ASIC模塊，速度較快。
在研究ASIC模塊RC150/170的時候，我們必須關注所有與“密碼操作”有關的寄存器／存儲器的情況。
●密碼數據寄存器KeyDataRegister（寄存器地址：0x0A）；
●密碼地址寄存器KeyAddressRegister（寄存器地址：0x0C）；
●密碼狀態／控制寄存器KeyStatus＆ControlRegister(KEYSTACON)（寄存器地址：0x0B）；
●其他相關寄存器。
所有這些與“密碼操作”相關的寄存器都是“只可寫不可讀”的，即WOM（Write－Only－Memory）。因此不要試圖去讀取這些寄存器的內容。
3、“密碼操作”的研究及其應用程序開發
3．1“LOAD_KEY”密碼存取
3．1．1設置新的密碼值
3．1．4設置密碼數據寄存器KeyDataRegister（寄存器地址：0x0A）
3．2“AUTHENTICATION”(密碼認證)
“AUTHENTICATION”(密碼認證)操作必須按照如下的幾個步驟進行：
●設置ASIC模塊中的TOC/BCNTS寄存器等
●設置密碼狀態／控制寄存器KeyStatus＆ControlRegister(KEYSTACON)
●設置密碼地址寄存器KeyAddressRegister（寄存器地址：0x0C）
●設置AUTHENTICATION指令碼
●密碼地址變換
●校驗STACON寄存器，以確定這次的“AUTHENTICATION”密碼認證是否有效
●關閉TOC及一些其它操作等
由于“AUTHENTICATION”(密碼認證)操作同“LOAD_KEY”(密碼存取)操作相互類似，在此不再重復。
只有在完全完成了上述的兩個主要的密碼操作步驟，并且得當了ASIC模塊“OK”的響應，非接觸式智能卡上相對應與剛才進行過密碼操作的某一扇區Sectorm內的Block0,1,2才能被MCU進行訪問，包括進行讀/寫等數據操作。一旦要求對另一扇區Sectorn內的Block進行數據讀寫時，則必須重新開始對扇區Sectorn進行密碼操作，包括“LOAD_KEY”(密碼存取)操作和“AUTHENTICATION”(密碼認證)操作等。
4、結束語
非接觸式智能卡技術雖然至今只有4～5年的成熟發展期，但是由于它的高度保密性，以及使用的方便性，得到了很快的普及。這種普及又加速了非接觸式智能卡技術的飛躍發展。它同銀行用接觸式CPU卡相互融合，產生了新的雙界面智能卡（Contact＆ContactlessInterface），在e－purse電子錢包系統等方面取得到了很大的成功。世界上一些著名的大公司，如SONY公司等，也介入了非接觸式智能卡技術領域，并且SONY的非接觸式智能卡技術又有著非常獨到之處。根據筆者對SONY非接觸式智能卡技術的使用、研究和了解，相對MIFARE而言，其在讀卡的速度、穩定性、誤碼率等性能上都有很大的提高，這也是其溶入了新的技術所致。
非接觸式智能卡已經廣泛地應用于各類門禁控制系統，公共交通支付系統，e－purse系統，高速公路不停車收費系統，IBMS（智能大樓管理系統），海關過境身份識別，以及醫療保險系統等等。
非接觸式智能卡以其高度安全保密性，通信高速性，使用方便性，成本日漸低廉等而受到廣泛使用，給我們的生活質量帶來了很大的提高。因此，如何認識、理解智能卡，特別是帶有非常神秘色彩的非接觸式智能卡，已引起很多智能卡的使用者，包括智能卡專業研發的IT科研人員的極大的興趣和愛好。筆者在此很愿意將自己多年來在智能卡（接觸式智能卡及非接觸式智能卡）方面的研究及其軟硬件應用開發的經驗與大家一同交流和分享，以取得我國金卡工程事業的更進一步的發展。
在此，筆者將以符合ISO/IEC14443TYPEA標準的Mifare1S50系列非接觸式智能卡及其讀寫設備專用IC（ASIC）RC150/170模塊為對象，與大家一起就“關于非接觸式智能卡及其讀寫器ASIC模塊之‘密碼操作’”作一些研究與探討，并將用標準的Intel－51系列微處理器匯編語言進行實際的應用程序的開發。在筆者曾設計和開發的眾多智能卡項目中，本文所給出的應用程序都有著良好的運行效果。
2、非接觸式智能卡及其讀寫器ASIC模塊RC150/170
Mifare1S50非接觸式智能卡片有著16個Sector(扇區)；每個Sector包含4個Block（塊）；每個Block具有16個byte的存儲容量。Sector被定義為Sector0至Sector15；Block被分為Block0至Block3；整個Mifare1S50非接觸式智能卡共有64個Block。
Sector0中的Block0記錄了該張智能卡的序列號（SerialNumber）以及生產廠商的標志信息等，這些信息已在卡片出廠時固化，不能更改。因此該Block不能再復用為應用數據塊。
每個Sector中的Block3被特別用來存放對該Sector中應用塊Block0,1,2及其本身Block3進行數據存取的密碼及存取權限。整個Mifare1S50非接觸式智能卡共有16個Block3。根據絕對地址編址，他們可被編為Block3（在Sector0中），Block7（在Sector1中），Block11（在Sector2中），以及Block63（在Sector15中）等等。
對于某一Sector中的Block3的絕對地址編址可以由下列公式計算得到：
Block X=(N＋1)＊4－1
其中：X：絕對地址編址的Block塊號
N：Sector扇號，0至15
Block3有16個byte組成。前6個字節是密碼A（KEYA），KEYA的缺省值可能為“A0A1A2A3A4A5”；最后6個字節是密碼B（KEYB），KEYB的缺省值可能為“B0B1B2B3B4B5”；中間4個字節是控制字節，缺省值可能為“FFH07H80H69H”；利用KEYA或KEYB并遵守早已定義在4個控制字節中的存取條件，我們便能對該密碼（KEYA或KEYB）所對應的Sector內的應用塊Block0,1,2進行數據讀／寫／更新等操作。
由于非接觸式智能卡的操作，包括數據流的傳遞等都是以“非接觸”方式來完成的，因此在MCU與非接觸式智能卡之間必須有一個傳遞密碼（或數據流）的中間媒體，即ASIC模塊。RC150/170就是這樣一種ASIC模塊。它擔負著非接觸式智能卡與MCU（微處理機）之間所有的密碼／數據相互傳遞的重要任務。對非接觸式智能卡進行密碼操作，變成對RC150/170ASIC模塊進行密碼操作。RC150/170ASIC模塊與非接觸式智能卡之間的信息傳遞（包括密碼等）對用戶來說是透明的，會自動傳遞并完成。因此如何對非接觸式智能卡進行“密碼操作”（對Block3的操作）變成如何對RC150/170ASIC模塊進行密碼操作。Philips公司的MCM200模塊，MCM500模塊或SB201,SB601（Uni－VisionEngineeringLtd.的產品）模塊中都包含有RC150/170ASIC模塊，因此本文所討論的內容，包括下面設計的程序等，也適用于這些模塊。RC170是RC150的新一代ASIC模塊，速度較快。
在研究ASIC模塊RC150/170的時候，我們必須關注所有與“密碼操作”有關的寄存器／存儲器的情況。
●密碼數據寄存器KeyDataRegister（寄存器地址：0x0A）；
●密碼地址寄存器KeyAddressRegister（寄存器地址：0x0C）；
●密碼狀態／控制寄存器KeyStatus＆ControlRegister(KEYSTACON)（寄存器地址：0x0B）；
●其他相關寄存器。
所有這些與“密碼操作”相關的寄存器都是“只可寫不可讀”的，即WOM（Write－Only－Memory）。因此不要試圖去讀取這些寄存器的內容。
3、“密碼操作”的研究及其應用程序開發
3．1“LOAD_KEY”密碼存取
3．1．1設置新的密碼值
3．1．4設置密碼數據寄存器KeyDataRegister（寄存器地址：0x0A）
3．2“AUTHENTICATION”(密碼認證)
“AUTHENTICATION”(密碼認證)操作必須按照如下的幾個步驟進行：
●設置ASIC模塊中的TOC/BCNTS寄存器等
●設置密碼狀態／控制寄存器KeyStatus＆ControlRegister(KEYSTACON)
●設置密碼地址寄存器KeyAddressRegister（寄存器地址：0x0C）
●設置AUTHENTICATION指令碼
●密碼地址變換
●校驗STACON寄存器，以確定這次的“AUTHENTICATION”密碼認證是否有效
●關閉TOC及一些其它操作等
由于“AUTHENTICATION”(密碼認證)操作同“LOAD_KEY”(密碼存取)操作相互類似，在此不再重復。
只有在完全完成了上述的兩個主要的密碼操作步驟，并且得當了ASIC模塊“OK”的響應，非接觸式智能卡上相對應與剛才進行過密碼操作的某一扇區Sectorm內的Block0,1,2才能被MCU進行訪問，包括進行讀/寫等數據操作。一旦要求對另一扇區Sectorn內的Block進行數據讀寫時，則必須重新開始對扇區Sectorn進行密碼操作，包括“LOAD_KEY”(密碼存取)操作和“AUTHENTICATION”(密碼認證)操作等。
4、結束語
非接觸式智能卡技術雖然至今只有4～5年的成熟發展期，但是由于它的高度保密性，以及使用的方便性，得到了很快的普及。這種普及又加速了非接觸式智能卡技術的飛躍發展。它同銀行用接觸式CPU卡相互融合，產生了新的雙界面智能卡（Contact＆ContactlessInterface），在e－purse電子錢包系統等方面取得到了很大的成功。世界上一些著名的大公司，如SONY公司等，也介入了非接觸式智能卡技術領域，并且SONY的非接觸式智能卡技術又有著非常獨到之處。根據筆者對SONY非接觸式智能卡技術的使用、研究和了解，相對MIFARE而言，其在讀卡的速度、穩定性、誤碼率等性能上都有很大的提高，這也是其溶入了新的技術所致。
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作者：智薈科技
來源：智薈RFID科技網
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