智能卡7816协议

最近项目涉及到了FPGA芯片与智能卡控制的系统级调试，记录一下关于智能卡的7816协议。

概念

首先7816-3定义了智能卡（这里指的是接触式CPU卡，对于逻辑加密卡以及非接触IC卡不在此列）和读写设备之间的通讯协议，说白了就是数据位传输的格式。

这里提一下RS232协议，它属于异步串行通讯接口（UART），通过RxD、TxD进行数据的收发，RS232曾经是PC机的标配，但是目前在多数PC上基本不复存在了（当然还可以通过USB-232转换器来扩展）。

对比7816-3定义的通讯协议，其实基本上可以说是RS232的翻版并在此基础上进行的改进，7816中只有一个IO同时兼具数据收发的功能，这点和RS232用RxD和TxD进行数据收发是不同的。

在RS232中我们有9600波特率、起始位、奇偶校验位、停止位这些概念，而在7816-3中都完整地保留了下来。

通讯协议说明（字符传输）

智能卡的字符传输采用的是异步半双工模式，这种异步的模式很像个人电脑上的RS232通信。传输一个字符时，除了8Bits的数据外，还加了以下几个Bits：

• 起始位 -- 用于字符帧的同步
• 校验位 -- 用于校验检测
• Guard Time -- 两个字符间的间隔时间

智能卡ETU

一般我们在理解UART通讯协议后，可以将UART协议与7816协议作为对比学习。

7816-3中引入了etu，没有使用bps，但是基本原理是一致的。etu的定义可以更加精确地描述每个数据位在传输过程中收发双方的职责和角色转换。

根据定义在智能卡上电复位的时候 1 etu = 372 / f ，其中f = 读写设备通过CLK管脚提供给智能卡的时钟频率，通常在1--5 MHz之间。

ETU选择
0	372（默认值）
1	64	FD=0x94
2	32	FD=0x95
3	16	FD=0x96

etu的单位是时间单位秒（毫秒、微秒），等同于传输每个数据位所需的时间。

对其取倒数得出来的就是每秒传输的数据位，也就是bps。我们取f = 3.579545 MHz，用3579545除以372结果等于9622.4约为9600 bps。

通用的etu计算公式： 1 etu = (F / D) * (1 / f) ，F和D的值根据7816-3规范中的约定来进行设置。对于上电复位时的取值 F = 372，D = 1即作为默认值Fd和Dd。如果智能卡支持其他速率则需要在ATR中的TA1来指出其他的F和D的值，比如设定F=372，可以把D分别设定为2/4，那么智能卡能支持的通讯速率可以分别为19200/38400。

那么为什么要选择时钟频率为3.579545 MHz？为什么默认的F值选择为372呢？首先3.579545 MHz 是常用石英晶振的标称值，9600 * 372 = 3.5712 MHz，与之最为接近。再说为什么是372，372 = 12 * 31。标准的8051单片机每个指令周期为12个时钟周期，而且定时/计数器也按照1/12 进行分频后再计数的，这样设定对于智能卡芯片来说可以比较容易实现对IO数据通讯的控制，也可以更好地和PC机串口9600速率配合（当然这是指上个世纪80年代的时候，对于现在的智能卡芯片设计技术而言实现任意分频的控制都不是问题了）。

由此可见，这些参数的选择都是为了能够更好地利用当时既有的标准和技术，要知道7816-3在1989年的时候就已经制定了，按照当时的主流PC机配置把串口速率设为9600，用一个232接口芯片（比如Max232）再加上3.579545MHz的晶振，再配合几片74系列的门电路外加5伏的直流电源和几个阻容器件，这就是最基本的RS232串口读卡器了。

智能卡上电后的相关配置流程

1. System init
2. ATR
3. PPS（baud config）
4. read file
5. auth 鉴权