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Mifare1卡及其读写器ASIC模块之“密码操作”研究与其应用程序开发
作者：智荟科技
日期：2008-06-18 16:05:56
摘要：非接触式智能卡已经广泛地应用于各类门禁控制系统，公共交通支付系统，e－purse系统，高速公路不停车收费系统，IBMS（智能大楼管理系统），海关过境身份识别，以及医疗保险系统等等。
关键词：RFID
关键字： 非接触式智能卡 ASIC模块
1、序言
非接触式智能卡已经广泛地应用于各类门禁控制系统，公共交通支付系统，e－purse系统，高速公路不停车收费系统，IBMS（智能大楼管理系统），海关过境身份识别，以及医疗保险系统等等。
非接触式智能卡以其高度安全保密性，通信高速性，使用方便性，成本日渐低廉等而受到广泛使用，给我们的生活质量带来了很大的提高。因此，如何认识、理解智能卡，特别是带有非常神秘色彩的非接触式智能卡，已引起很多智能卡的使用者，包括智能卡专业研发的IT科研人员的极大的兴趣和爱好。笔者在此很愿意将自己多年来在智能卡（接触式智能卡及非接触式智能卡）方面的研究及其软硬件应用开发的经验与大家一同交流和分享，以取得我国金卡工程事业的更进一步的发展。
在此，笔者将以符合ISO/IEC14443TYPEA标准的Mifare1S50系列非接触式智能卡及其读写设备专用IC（ASIC）RC150/170模块为对象，与大家一起就“关于非接触式智能卡及其读写器ASIC模块之‘密码操作’”作一些研究与探讨，并将用标准的Intel－51系列微处理器汇编语言进行实际的应用程序的开发。在笔者曾设计和开发的众多智能卡项目中，本文所给出的应用程序都有着良好的运行效果。
2、非接触式智能卡及其读写器ASIC模块RC150/170
Mifare1S50非接触式智能卡片有着16个Sector(扇区)；每个Sector包含4个Block（块）；每个Block具有16个byte的存储容量。Sector被定义为Sector0至Sector15；Block被分为Block0至Block3；整个Mifare1S50非接触式智能卡共有64个Block。
Sector0中的Block0记录了该张智能卡的序列号（SerialNumber）以及生产厂商的标志信息等，这些信息已在卡片出厂时固化，不能更改。因此该Block不能再复用为应用数据块。
每个Sector中的Block3被特别用来存放对该Sector中应用块Block0,1,2及其本身Block3进行数据存取的密码及存取权限。整个Mifare1S50非接触式智能卡共有16个Block3。根据绝对地址编址，他们可被编为Block3（在Sector0中），Block7（在Sector1中），Block11（在Sector2中），以及Block63（在Sector15中）等等。
对于某一Sector中的Block3的绝对地址编址可以由下列公式计算得到：
Block X=(N＋1)＊4－1
其中：X：绝对地址编址的Block块号
N：Sector扇号，0至15
Block3有16个byte组成。前6个字节是密码A（KEYA），KEYA的缺省值可能为“A0A1A2A3A4A5”；最后6个字节是密码B（KEYB），KEYB的缺省值可能为“B0B1B2B3B4B5”；中间4个字节是控制字节，缺省值可能为“FFH07H80H69H”；利用KEYA或KEYB并遵守早已定义在4个控制字节中的存取条件，我们便能对该密码（KEYA或KEYB）所对应的Sector内的应用块Block0,1,2进行数据读／写／更新等操作。
由于非接触式智能卡的操作，包括数据流的传递等都是以“非接触”方式来完成的，因此在MCU与非接触式智能卡之间必须有一个传递密码（或数据流）的中间媒体，即ASIC模块。RC150/170就是这样一种ASIC模块。它担负着非接触式智能卡与MCU（微处理机）之间所有的密码／数据相互传递的重要任务。对非接触式智能卡进行密码操作，变成对RC150/170ASIC模块进行密码操作。RC150/170ASIC模块与非接触式智能卡之间的信息传递（包括密码等）对用户来说是透明的，会自动传递并完成。因此如何对非接触式智能卡进行“密码操作”（对Block3的操作）变成如何对RC150/170ASIC模块进行密码操作。Philips公司的MCM200模块，MCM500模块或SB201,SB601（Uni－VisionEngineeringLtd.的产品）模块中都包含有RC150/170ASIC模块，因此本文所讨论的内容，包括下面设计的程序等，也适用于这些模块。RC170是RC150的新一代ASIC模块，速度较快。
在研究ASIC模块RC150/170的时候，我们必须关注所有与“密码操作”有关的寄存器／存储器的情况。
●密码数据寄存器KeyDataRegister（寄存器地址：0x0A）；
●密码地址寄存器KeyAddressRegister（寄存器地址：0x0C）；
●密码状态／控制寄存器KeyStatus＆ControlRegister(KEYSTACON)（寄存器地址：0x0B）；
●其他相关寄存器。
所有这些与“密码操作”相关的寄存器都是“只可写不可读”的，即WOM（Write－Only－Memory）。因此不要试图去读取这些寄存器的内容。
3、“密码操作”的研究及其应用程序开发
3．1“LOAD_KEY”密码存取
3．1．1设置新的密码值
3．1．4设置密码数据寄存器KeyDataRegister（寄存器地址：0x0A）
3．2“AUTHENTICATION”(密码认证)
“AUTHENTICATION”(密码认证)操作必须按照如下的几个步骤进行：
●设置ASIC模块中的TOC/BCNTS寄存器等
●设置密码状态／控制寄存器KeyStatus＆ControlRegister(KEYSTACON)
●设置密码地址寄存器KeyAddressRegister（寄存器地址：0x0C）
●设置AUTHENTICATION指令码
●密码地址变换
●校验STACON寄存器，以确定这次的“AUTHENTICATION”密码认证是否有效
●关闭TOC及一些其它操作等
由于“AUTHENTICATION”(密码认证)操作同“LOAD_KEY”(密码存取)操作相互类似，在此不再重复。
只有在完全完成了上述的两个主要的密码操作步骤，并且得当了ASIC模块“OK”的响应，非接触式智能卡上相对应与刚才进行过密码操作的某一扇区Sectorm内的Block0,1,2才能被MCU进行访问，包括进行读/写等数据操作。一旦要求对另一扇区Sectorn内的Block进行数据读写时，则必须重新开始对扇区Sectorn进行密码操作，包括“LOAD_KEY”(密码存取)操作和“AUTHENTICATION”(密码认证)操作等。
4、结束语
非接触式智能卡技术虽然至今只有4～5年的成熟发展期，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。这种普及又加速了非接触式智能卡技术的飞跃发展。它同银行用接触式CPU卡相互融合，产生了新的双界面智能卡（Contact＆ContactlessInterface），在e－purse电子钱包系统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，也介入了非接触式智能卡技术领域，并且SONY的非接触式智能卡技术又有着非常独到之处。根据笔者对SONY非接触式智能卡技术的使用、研究和了解，相对MIFARE而言，其在读卡的速度、稳定性、误码率等性能上都有很大的提高，这也是其溶入了新的技术所致。
非接触式智能卡已经广泛地应用于各类门禁控制系统，公共交通支付系统，e－purse系统，高速公路不停车收费系统，IBMS（智能大楼管理系统），海关过境身份识别，以及医疗保险系统等等。
非接触式智能卡以其高度安全保密性，通信高速性，使用方便性，成本日渐低廉等而受到广泛使用，给我们的生活质量带来了很大的提高。因此，如何认识、理解智能卡，特别是带有非常神秘色彩的非接触式智能卡，已引起很多智能卡的使用者，包括智能卡专业研发的IT科研人员的极大的兴趣和爱好。笔者在此很愿意将自己多年来在智能卡（接触式智能卡及非接触式智能卡）方面的研究及其软硬件应用开发的经验与大家一同交流和分享，以取得我国金卡工程事业的更进一步的发展。
在此，笔者将以符合ISO/IEC14443TYPEA标准的Mifare1S50系列非接触式智能卡及其读写设备专用IC（ASIC）RC150/170模块为对象，与大家一起就“关于非接触式智能卡及其读写器ASIC模块之‘密码操作’”作一些研究与探讨，并将用标准的Intel－51系列微处理器汇编语言进行实际的应用程序的开发。在笔者曾设计和开发的众多智能卡项目中，本文所给出的应用程序都有着良好的运行效果。
2、非接触式智能卡及其读写器ASIC模块RC150/170
Mifare1S50非接触式智能卡片有着16个Sector(扇区)；每个Sector包含4个Block（块）；每个Block具有16个byte的存储容量。Sector被定义为Sector0至Sector15；Block被分为Block0至Block3；整个Mifare1S50非接触式智能卡共有64个Block。
Sector0中的Block0记录了该张智能卡的序列号（SerialNumber）以及生产厂商的标志信息等，这些信息已在卡片出厂时固化，不能更改。因此该Block不能再复用为应用数据块。
每个Sector中的Block3被特别用来存放对该Sector中应用块Block0,1,2及其本身Block3进行数据存取的密码及存取权限。整个Mifare1S50非接触式智能卡共有16个Block3。根据绝对地址编址，他们可被编为Block3（在Sector0中），Block7（在Sector1中），Block11（在Sector2中），以及Block63（在Sector15中）等等。
对于某一Sector中的Block3的绝对地址编址可以由下列公式计算得到：
Block X=(N＋1)＊4－1
其中：X：绝对地址编址的Block块号
N：Sector扇号，0至15
Block3有16个byte组成。前6个字节是密码A（KEYA），KEYA的缺省值可能为“A0A1A2A3A4A5”；最后6个字节是密码B（KEYB），KEYB的缺省值可能为“B0B1B2B3B4B5”；中间4个字节是控制字节，缺省值可能为“FFH07H80H69H”；利用KEYA或KEYB并遵守早已定义在4个控制字节中的存取条件，我们便能对该密码（KEYA或KEYB）所对应的Sector内的应用块Block0,1,2进行数据读／写／更新等操作。
由于非接触式智能卡的操作，包括数据流的传递等都是以“非接触”方式来完成的，因此在MCU与非接触式智能卡之间必须有一个传递密码（或数据流）的中间媒体，即ASIC模块。RC150/170就是这样一种ASIC模块。它担负着非接触式智能卡与MCU（微处理机）之间所有的密码／数据相互传递的重要任务。对非接触式智能卡进行密码操作，变成对RC150/170ASIC模块进行密码操作。RC150/170ASIC模块与非接触式智能卡之间的信息传递（包括密码等）对用户来说是透明的，会自动传递并完成。因此如何对非接触式智能卡进行“密码操作”（对Block3的操作）变成如何对RC150/170ASIC模块进行密码操作。Philips公司的MCM200模块，MCM500模块或SB201,SB601（Uni－VisionEngineeringLtd.的产品）模块中都包含有RC150/170ASIC模块，因此本文所讨论的内容，包括下面设计的程序等，也适用于这些模块。RC170是RC150的新一代ASIC模块，速度较快。
在研究ASIC模块RC150/170的时候，我们必须关注所有与“密码操作”有关的寄存器／存储器的情况。
●密码数据寄存器KeyDataRegister（寄存器地址：0x0A）；
●密码地址寄存器KeyAddressRegister（寄存器地址：0x0C）；
●密码状态／控制寄存器KeyStatus＆ControlRegister(KEYSTACON)（寄存器地址：0x0B）；
●其他相关寄存器。
所有这些与“密码操作”相关的寄存器都是“只可写不可读”的，即WOM（Write－Only－Memory）。因此不要试图去读取这些寄存器的内容。
3、“密码操作”的研究及其应用程序开发
3．1“LOAD_KEY”密码存取
3．1．1设置新的密码值
3．1．4设置密码数据寄存器KeyDataRegister（寄存器地址：0x0A）
3．2“AUTHENTICATION”(密码认证)
“AUTHENTICATION”(密码认证)操作必须按照如下的几个步骤进行：
●设置ASIC模块中的TOC/BCNTS寄存器等
●设置密码状态／控制寄存器KeyStatus＆ControlRegister(KEYSTACON)
●设置密码地址寄存器KeyAddressRegister（寄存器地址：0x0C）
●设置AUTHENTICATION指令码
●密码地址变换
●校验STACON寄存器，以确定这次的“AUTHENTICATION”密码认证是否有效
●关闭TOC及一些其它操作等
由于“AUTHENTICATION”(密码认证)操作同“LOAD_KEY”(密码存取)操作相互类似，在此不再重复。
只有在完全完成了上述的两个主要的密码操作步骤，并且得当了ASIC模块“OK”的响应，非接触式智能卡上相对应与刚才进行过密码操作的某一扇区Sectorm内的Block0,1,2才能被MCU进行访问，包括进行读/写等数据操作。一旦要求对另一扇区Sectorn内的Block进行数据读写时，则必须重新开始对扇区Sectorn进行密码操作，包括“LOAD_KEY”(密码存取)操作和“AUTHENTICATION”(密码认证)操作等。
4、结束语
非接触式智能卡技术虽然至今只有4～5年的成熟发展期，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。这种普及又加速了非接触式智能卡技术的飞跃发展。它同银行用接触式CPU卡相互融合，产生了新的双界面智能卡（Contact＆ContactlessInterface），在e－purse电子钱包系统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，也介入了非接触式智能卡技术领域，并且SONY的非接触式智能卡技术又有着非常独到之处。根据笔者对SONY非接触式智能卡技术的使用、研究和了解，相对MIFARE而言，其在读卡的速度、稳定性、误码率等性能上都有很大的提高，这也是其溶入了新的技术所致。
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作者：智荟科技
来源：智荟RFID科技网
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