8KB智能卡E2PROM容量擴展利用的技術研究

摘要:隨著智能卡應用的推廣，為克服廣泛投入使用的芯片在容量方面的不足，該論文研究并分析芯片COS的文件讀寫編碼算法，按照I2C總線規約寫入字節的可讀性與可控性。設計一種有效的地址與文件結構在E2PROM中存放EF文件，使得卡內空間得到進一步的釋放，存儲能力進一步的挖掘，充分利用了現有資源。

關鍵詞:芯片COS;E2PROM;I2C總線

中圖分類號:TP311文獻標識碼:A 文章編號:1009-3044(2010)01-250-02

8KB Capacity Expansion of the Use of Smart Cards E2PROM of Technical Studies

LI Yi， XIE Cui

(Ocean University of China， College of Information Science and Engineering， Qingdao 266003， China)

Abstract:With the Smart Card developing， to give up wide using chip of quantity side of shortcoming. So my essay want to study and analyze COS chip of reading code arithmetic. According to I2C the whole line rules to enter data for reading and controlling. to design efficient address， and document with EF message into E2PROM. So as to the card room of the further function， the store energy will be a further step， to use the storing resource.

Key words: COS chip; E2PROM; I2C the whole line

當今世界信息技術的發展日新月異，已廣泛應用到社會的各個領域。1976年法國布爾公司的高級研究員Ugon所領導的研究小組制成了世界上第一張雙晶片智能卡，取得了技術專利。國際標準化組織在此基礎上制定出了智能卡的國際標準——ISO7816，為智能卡的發展普及創造了條件。在此后的十幾年間，世界上先后又有Motorala，Thomson，Hitachi，OKI，Toshiba，Sharp，Gemplus，Schlumberger等十多家公司企業相繼投入了智能卡芯片或卡片成品的開發生產，形成了一個世界性新興的技術產業。

隨著智能卡應用范圍的擴大，我國智能卡技術起步晚、基礎薄的缺點也突顯出來。國內智能卡雖已有了較大的使用市場，但卡芯片技術較為落后，存儲容量較小。為滿足日益增加的使用需求，芯片存儲空間擴容的問題亟待解決。目前絕大多數地區的做法是更換卡片，將原有的4KB、8KB芯片更換為16KB甚至32KB的大容量芯片，這樣的做法存在以下幾個不利因素:一是卡芯片設計使用壽命為10年，在短時間使用后即更換卡片，將造成較大的資源浪費;二是絕大多數E2PROM容量在16KB及其以上的芯片存儲空間使用率不高，采用線性定長或變長記錄文件結構，存儲空間浪費情況較為嚴重。

1 COS結構

COS 的內部結構組成如下:CPU及加密邏輯、RAM、ROM、E2PROM 及I/O 五部分組成，是一個完整的計算機安全體系。用戶數據放在被加密邏輯保護的E2PROM 中，COS 掩膜在ROM 中以保證代碼安全。COS 將用戶的過程密鑰生成后放在RAM 空間中，掉電后自動丟失，保證其安全性。

2 文件管理器

文件管理器控制對文件的操作和訪問。在做數據操作前，文件管理器將根據文件的安全屬性檢查卡的安全狀態，以確定操作的可行性。文件的安全屬性和文件結構一旦產生便處于文件管理器的控制之下。

對文件數據的操作和管理將按照如下的規則:

1)對某個文件做操作之前，必須先選擇該文件。

2)文件系統的三層結構，并且操作系統不支持以路徑方式選擇文件，所以在選擇某個文件前必須先選擇它的上一層文件，不允許跨層選擇?？ㄆ想姾笞詣舆x擇主控文件。

3)訪問文件中的數據要受文件的安全屬性的控制。

4)對文件的建立要受該文件所屬的上層文件的安全屬性的控制。

3 文件存儲結構

8KB的I2C型E2PROM的IC卡內文件目錄管理區地址為0000H-007FH，直線結構，最多可存放60個數據文件。

如表1所示，在E2PROM中0080H~2000H設計成首尾相接的環形結構，作為文件存儲區，存儲文件時沒存儲一個文件，地址指針自動加1，并判斷文件地址是否過界。如文件過界，即大于2000H，則自動從0080H處存儲文件，原文件進行覆蓋處理，每一組現場數據作為一個記錄文件輸入后， 芯片COS都要及時修改目錄映像中當前文件的結束地址。新建立的文件首位地址記入40H~43H，最后將該映像再重新寫回到E2PROM 目錄區。

芯片數據的寫入按照I2C總線規約逐字節寫入。每寫完一個字節，地址指針自動加1，如果超過2000H，則自動從0080H處開始存儲，也就是說，被覆蓋掉的文件是最早建立的，按照系統設計，該文件是可以被丟棄的文件。同時，存儲區設計大于單個文件寬度，因此不會出現單個文件覆蓋整個存儲區的情況。

4 存儲文件類型

1)主控文件(Master File ， MF)

主控文件是整個文件系統的根(可看做根目錄)，每張卡有且只有一個主控文件。它是在卡的個人化過程中首先被建立起來的，在卡的整個生命周期內一直存在并保持有效，可存儲卡的公共數據信息并為各種應用服務。由個人化建立起來的主控文件包括文件控制參數以及文件安全屬性等信息。在物理上，主控文件占有的存儲空間包括MF 文件頭的大小以及MF 所管理的EF 和DF 的存儲空間。

2)專用文件(Dedicated File，DF)

在MF 下針對不同的應用建立起來的一種文件，是位于MF 之下的含有EF的一種文件結構(可看做文件目錄)，它存儲了某個應用的全部數據以及與應用操作相關的安全數據。

DF 由創立文件命令建立。對DF 的建立操作由MF 下建立文件的安全屬性控制。

在DF 下面不可再建立子DF，只能建立EF為了保證各個DF 的相互獨立，只能從文件系統的MF 層次選擇一個DF，對DF 下的數據進行的操作由各當前系統的狀態機控制。

3) 基本文件(Elementary File，EF)

基本文件存儲了各種應用的數據和管理信息，它存在于MF 和DF 下。EF從存儲內容上分為兩類:安全基本文件和工作基本文件。

安全基本文件(Secret Elementary File，SEF)的內容包含用于用戶識別和與加密有關的保密數據(個人識別碼、密鑰等)，卡將利用這些數據進行安全管理。SEF要在MF 或DF 建立后，才能建立。建立后每個KEY 都可以定義不同的修改權限。安全基本文件的內容不可被讀出，但可使用專門的指令來寫入和修改。在MF 和每個DF 下只能建立1 個安全基本文件，但每個文件中的KEY 和PIN 的類型由用戶指定。

工作基本文件(Working Elementary File，WEF)包含了應用的實際數據，其內容不被卡解釋。在符合WEF 的讀、修改安全屬性時，可對其內容進行讀取、修改。工作文件的個數和大小受到MF 或DF 所擁有空間的限制。

整個文件系統的空間在MF、DF 和EF 建立時被分配和確定，以后在物理上不會發生變化。當訪問EF 時，必須先選擇相應的MF 或DF。

可以從文件系統的任何位置選擇MF。

5 存儲文件結構分布

現有芯片內的存儲文件，MF必不可少，但專用文件DF份量過多，在已有的8KB存儲空間內，為組織起文件結構，DF占用了過多的存儲空間，可通過對MF文件的控制語句，實現減少DF文件，從而讓MF最大程度上直接控制EF文件。

1)Read Record 命令用于讀取記錄文件的內容。該命令適用于定長記錄文件、循環定長記錄文件、變長記錄文件。

Read Record 命令報文如表2所示。

記錄號的取值范圍為‘01’-‘FE’，‘00’表示當前記錄。

2)Select File 命令通過文件名來選擇IC 卡中的文件。

Select File命令報文如表3所示。

命令報文數據域為文件標識符或文件名稱。

如果命令報文數據域為空且P1=00H 時，該命令選擇主控文件(MF)。

6 結束語

環形E2PROM存儲寫入方法充分利用了有限的卡內芯片存儲空間，通過適當精簡DF文件，卡內存儲空間得到進一步的釋放，有限的E2PROM存儲能力得到了進一步的挖掘，充分利用了現有資源。該方法在實際工作中具有較高的應用價值。

參考文獻:

[1] 黃淼云，李也白，王福成.智能卡應用系統[M].北京:清華大學出版社，2000.

[2] 王愛英.IC卡技術入門[M].北京:清華大學出版社，1998.

[3] ThomasM.Trexler.Cost-effective test solutions for smart card and other integrated flash applications[M].Semiconductor Technology，2004.

[4] 任曉奎.IC卡數據循環存儲及文件管理[J].單片機與嵌入式系統應用，2004.

[5] 王波，伍洲凱.智能卡的文件系統[J].安徽建筑工業學院學報，2004(4).

[6] 游劍鋒，湯榮江.智能卡操作系統結構研究[J].現代計算機，2009(1).

[7] 張李靜，張秋燕.智能卡COS芯片層模塊設計與測試方案研究[J].現代電子技術，2009(4).

[8] 李津生.IC卡實用化技術[M].北京:人民郵電出版社，1995.