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Mifare1卡及其讀寫器ASIC模塊之“密碼操作”研究與其應(yīng)用程序開發(fā)
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(jīng)廣泛地應(yīng)用于各類門禁控制系統(tǒng)，公共交通支付系統(tǒng)，e－purse系統(tǒng)，高速公路不停車收費(fèi)系統(tǒng)，IBMS（智能大樓管理系統(tǒng)），海關(guān)過境身份識(shí)別，以及醫(yī)療保險(xiǎn)系統(tǒng)等等。
關(guān)鍵詞：RFID
關(guān)鍵字： 非接觸式智能卡 ASIC模塊
1、序言
非接觸式智能卡已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于各類門禁控制系統(tǒng)，公共交通支付系統(tǒng)，e－purse系統(tǒng)，高速公路不停車收費(fèi)系統(tǒng)，IBMS（智能大樓管理系統(tǒng)），海關(guān)過境身份識(shí)別，以及醫(yī)療保險(xiǎn)系統(tǒng)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(zhì)量帶來了很大的提高。因此，如何認(rèn)識(shí)、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(yè)研發(fā)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(yīng)用開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)與大家一同交流和分享，以取得我國金卡工程事業(yè)的更進(jìn)一步的發(fā)展。
在此，筆者將以符合ISO/IEC14443TYPEA標(biāo)準(zhǔn)的Mifare1S50系列非接觸式智能卡及其讀寫設(shè)備專用IC（ASIC）RC150/170模塊為對(duì)象，與大家一起就“關(guān)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(biāo)準(zhǔn)的Intel－51系列微處理器匯編語言進(jìn)行實(shí)際的應(yīng)用程序的開發(fā)。在筆者曾設(shè)計(jì)和開發(fā)的眾多智能卡項(xiàng)目中，本文所給出的應(yīng)用程序都有著良好的運(yùn)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(gè)Sector(扇區(qū))；每個(gè)Sector包含4個(gè)Block（塊）；每個(gè)Block具有16個(gè)byte的存儲(chǔ)容量。Sector被定義為Sector0至Sector15；Block被分為Block0至Block3；整個(gè)Mifare1S50非接觸式智能卡共有64個(gè)Block。
Sector0中的Block0記錄了該張智能卡的序列號(hào)（SerialNumber）以及生產(chǎn)廠商的標(biāo)志信息等，這些信息已在卡片出廠時(shí)固化，不能更改。因此該Block不能再復(fù)用為應(yīng)用數(shù)據(jù)塊。
每個(gè)Sector中的Block3被特別用來存放對(duì)該Sector中應(yīng)用塊Block0,1,2及其本身Block3進(jìn)行數(shù)據(jù)存取的密碼及存取權(quán)限。整個(gè)Mifare1S50非接觸式智能卡共有16個(gè)Block3。根據(jù)絕對(duì)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(duì)于某一Sector中的Block3的絕對(duì)地址編址可以由下列公式計(jì)算得到：
Block X=(N＋1)＊4－1
其中：X：絕對(duì)地址編址的Block塊號(hào)
N：Sector扇號(hào)，0至15
Block3有16個(gè)byte組成。前6個(gè)字節(jié)是密碼A（KEYA），KEYA的缺省值可能為“A0A1A2A3A4A5”；最后6個(gè)字節(jié)是密碼B（KEYB），KEYB的缺省值可能為“B0B1B2B3B4B5”；中間4個(gè)字節(jié)是控制字節(jié)，缺省值可能為“FFH07H80H69H”；利用KEYA或KEYB并遵守早已定義在4個(gè)控制字節(jié)中的存取條件，我們便能對(duì)該密碼（KEYA或KEYB）所對(duì)應(yīng)的Sector內(nèi)的應(yīng)用塊Block0,1,2進(jìn)行數(shù)據(jù)讀／寫／更新等操作。
由于非接觸式智能卡的操作，包括數(shù)據(jù)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(gè)傳遞密碼（或數(shù)據(jù)流）的中間媒體，即ASIC模塊。RC150/170就是這樣一種ASIC模塊。它擔(dān)負(fù)著非接觸式智能卡與MCU（微處理機(jī)）之間所有的密碼／數(shù)據(jù)相互傳遞的重要任務(wù)。對(duì)非接觸式智能卡進(jìn)行密碼操作，變成對(duì)RC150/170ASIC模塊進(jìn)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(duì)用戶來說是透明的，會(huì)自動(dòng)傳遞并完成。因此如何對(duì)非接觸式智能卡進(jìn)行“密碼操作”（對(duì)Block3的操作）變成如何對(duì)RC150/170ASIC模塊進(jìn)行密碼操作。Philips公司的MCM200模塊，MCM500模塊或SB201,SB601（Uni－VisionEngineeringLtd.的產(chǎn)品）模塊中都包含有RC150/170ASIC模塊，因此本文所討論的內(nèi)容，包括下面設(shè)計(jì)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(shí)候，我們必須關(guān)注所有與“密碼操作”有關(guān)的寄存器／存儲(chǔ)器的情況。
●密碼數(shù)據(jù)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(tài)／控制寄存器KeyStatus＆ControlRegister(KEYSTACON)（寄存器地址：0x0B）；
●其他相關(guān)寄存器。
所有這些與“密碼操作”相關(guān)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(nèi)容。
3、“密碼操作”的研究及其應(yīng)用程序開發(fā)
3．1“LOAD_KEY”密碼存取
3．1．1設(shè)置新的密碼值
3．1．4設(shè)置密碼數(shù)據(jù)寄存器KeyDataRegister（寄存器地址：0x0A）
3．2“AUTHENTICATION”(密碼認(rèn)證)
“AUTHENTICATION”(密碼認(rèn)證)操作必須按照如下的幾個(gè)步驟進(jìn)行：
●設(shè)置ASIC模塊中的TOC/BCNTS寄存器等
●設(shè)置密碼狀態(tài)／控制寄存器KeyStatus＆ControlRegister(KEYSTACON)
●設(shè)置密碼地址寄存器KeyAddressRegister（寄存器地址：0x0C）
●設(shè)置AUTHENTICATION指令碼
●密碼地址變換
●校驗(yàn)STACON寄存器，以確定這次的“AUTHENTICATION”密碼認(rèn)證是否有效
●關(guān)閉TOC及一些其它操作等
由于“AUTHENTICATION”(密碼認(rèn)證)操作同“LOAD_KEY”(密碼存取)操作相互類似，在此不再重復(fù)。
只有在完全完成了上述的兩個(gè)主要的密碼操作步驟，并且得當(dāng)了ASIC模塊“OK”的響應(yīng)，非接觸式智能卡上相對(duì)應(yīng)與剛才進(jìn)行過密碼操作的某一扇區(qū)Sectorm內(nèi)的Block0,1,2才能被MCU進(jìn)行訪問，包括進(jìn)行讀/寫等數(shù)據(jù)操作。一旦要求對(duì)另一扇區(qū)Sectorn內(nèi)的Block進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫時(shí)，則必須重新開始對(duì)扇區(qū)Sectorn進(jìn)行密碼操作，包括“LOAD_KEY”(密碼存取)操作和“AUTHENTICATION”(密碼認(rèn)證)操作等。
4、結(jié)束語
非接觸式智能卡技術(shù)雖然至今只有4～5年的成熟發(fā)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(shù)的飛躍發(fā)展。它同銀行用接觸式CPU卡相互融合，產(chǎn)生了新的雙界面智能卡（Contact＆ContactlessInterface），在e－purse電子錢包系統(tǒng)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(shù)領(lǐng)域，并且SONY的非接觸式智能卡技術(shù)又有著非常獨(dú)到之處。根據(jù)筆者對(duì)SONY非接觸式智能卡技術(shù)的使用、研究和了解，相對(duì)MIFARE而言，其在讀卡的速度、穩(wěn)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(shù)所致。
非接觸式智能卡已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于各類門禁控制系統(tǒng)，公共交通支付系統(tǒng)，e－purse系統(tǒng)，高速公路不停車收費(fèi)系統(tǒng)，IBMS（智能大樓管理系統(tǒng)），海關(guān)過境身份識(shí)別，以及醫(yī)療保險(xiǎn)系統(tǒng)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(zhì)量帶來了很大的提高。因此，如何認(rèn)識(shí)、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(yè)研發(fā)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(yīng)用開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)與大家一同交流和分享，以取得我國金卡工程事業(yè)的更進(jìn)一步的發(fā)展。
在此，筆者將以符合ISO/IEC14443TYPEA標(biāo)準(zhǔn)的Mifare1S50系列非接觸式智能卡及其讀寫設(shè)備專用IC（ASIC）RC150/170模塊為對(duì)象，與大家一起就“關(guān)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(biāo)準(zhǔn)的Intel－51系列微處理器匯編語言進(jìn)行實(shí)際的應(yīng)用程序的開發(fā)。在筆者曾設(shè)計(jì)和開發(fā)的眾多智能卡項(xiàng)目中，本文所給出的應(yīng)用程序都有著良好的運(yùn)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(gè)Sector(扇區(qū))；每個(gè)Sector包含4個(gè)Block（塊）；每個(gè)Block具有16個(gè)byte的存儲(chǔ)容量。Sector被定義為Sector0至Sector15；Block被分為Block0至Block3；整個(gè)Mifare1S50非接觸式智能卡共有64個(gè)Block。
Sector0中的Block0記錄了該張智能卡的序列號(hào)（SerialNumber）以及生產(chǎn)廠商的標(biāo)志信息等，這些信息已在卡片出廠時(shí)固化，不能更改。因此該Block不能再復(fù)用為應(yīng)用數(shù)據(jù)塊。
每個(gè)Sector中的Block3被特別用來存放對(duì)該Sector中應(yīng)用塊Block0,1,2及其本身Block3進(jìn)行數(shù)據(jù)存取的密碼及存取權(quán)限。整個(gè)Mifare1S50非接觸式智能卡共有16個(gè)Block3。根據(jù)絕對(duì)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(duì)于某一Sector中的Block3的絕對(duì)地址編址可以由下列公式計(jì)算得到：
Block X=(N＋1)＊4－1
其中：X：絕對(duì)地址編址的Block塊號(hào)
N：Sector扇號(hào)，0至15
Block3有16個(gè)byte組成。前6個(gè)字節(jié)是密碼A（KEYA），KEYA的缺省值可能為“A0A1A2A3A4A5”；最后6個(gè)字節(jié)是密碼B（KEYB），KEYB的缺省值可能為“B0B1B2B3B4B5”；中間4個(gè)字節(jié)是控制字節(jié)，缺省值可能為“FFH07H80H69H”；利用KEYA或KEYB并遵守早已定義在4個(gè)控制字節(jié)中的存取條件，我們便能對(duì)該密碼（KEYA或KEYB）所對(duì)應(yīng)的Sector內(nèi)的應(yīng)用塊Block0,1,2進(jìn)行數(shù)據(jù)讀／寫／更新等操作。
由于非接觸式智能卡的操作，包括數(shù)據(jù)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(gè)傳遞密碼（或數(shù)據(jù)流）的中間媒體，即ASIC模塊。RC150/170就是這樣一種ASIC模塊。它擔(dān)負(fù)著非接觸式智能卡與MCU（微處理機(jī)）之間所有的密碼／數(shù)據(jù)相互傳遞的重要任務(wù)。對(duì)非接觸式智能卡進(jìn)行密碼操作，變成對(duì)RC150/170ASIC模塊進(jìn)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(duì)用戶來說是透明的，會(huì)自動(dòng)傳遞并完成。因此如何對(duì)非接觸式智能卡進(jìn)行“密碼操作”（對(duì)Block3的操作）變成如何對(duì)RC150/170ASIC模塊進(jìn)行密碼操作。Philips公司的MCM200模塊，MCM500模塊或SB201,SB601（Uni－VisionEngineeringLtd.的產(chǎn)品）模塊中都包含有RC150/170ASIC模塊，因此本文所討論的內(nèi)容，包括下面設(shè)計(jì)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(shí)候，我們必須關(guān)注所有與“密碼操作”有關(guān)的寄存器／存儲(chǔ)器的情況。
●密碼數(shù)據(jù)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(tài)／控制寄存器KeyStatus＆ControlRegister(KEYSTACON)（寄存器地址：0x0B）；
●其他相關(guān)寄存器。
所有這些與“密碼操作”相關(guān)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(nèi)容。
3、“密碼操作”的研究及其應(yīng)用程序開發(fā)
3．1“LOAD_KEY”密碼存取
3．1．1設(shè)置新的密碼值
3．1．4設(shè)置密碼數(shù)據(jù)寄存器KeyDataRegister（寄存器地址：0x0A）
3．2“AUTHENTICATION”(密碼認(rèn)證)
“AUTHENTICATION”(密碼認(rèn)證)操作必須按照如下的幾個(gè)步驟進(jìn)行：
●設(shè)置ASIC模塊中的TOC/BCNTS寄存器等
●設(shè)置密碼狀態(tài)／控制寄存器KeyStatus＆ControlRegister(KEYSTACON)
●設(shè)置密碼地址寄存器KeyAddressRegister（寄存器地址：0x0C）
●設(shè)置AUTHENTICATION指令碼
●密碼地址變換
●校驗(yàn)STACON寄存器，以確定這次的“AUTHENTICATION”密碼認(rèn)證是否有效
●關(guān)閉TOC及一些其它操作等
由于“AUTHENTICATION”(密碼認(rèn)證)操作同“LOAD_KEY”(密碼存取)操作相互類似，在此不再重復(fù)。
只有在完全完成了上述的兩個(gè)主要的密碼操作步驟，并且得當(dāng)了ASIC模塊“OK”的響應(yīng)，非接觸式智能卡上相對(duì)應(yīng)與剛才進(jìn)行過密碼操作的某一扇區(qū)Sectorm內(nèi)的Block0,1,2才能被MCU進(jìn)行訪問，包括進(jìn)行讀/寫等數(shù)據(jù)操作。一旦要求對(duì)另一扇區(qū)Sectorn內(nèi)的Block進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫時(shí)，則必須重新開始對(duì)扇區(qū)Sectorn進(jìn)行密碼操作，包括“LOAD_KEY”(密碼存取)操作和“AUTHENTICATION”(密碼認(rèn)證)操作等。
4、結(jié)束語
非接觸式智能卡技術(shù)雖然至今只有4～5年的成熟發(fā)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(shù)的飛躍發(fā)展。它同銀行用接觸式CPU卡相互融合，產(chǎn)生了新的雙界面智能卡（Contact＆ContactlessInterface），在e－purse電子錢包系統(tǒng)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(shù)領(lǐng)域，并且SONY的非接觸式智能卡技術(shù)又有著非常獨(dú)到之處。根據(jù)筆者對(duì)SONY非接觸式智能卡技術(shù)的使用、研究和了解，相對(duì)MIFARE而言，其在讀卡的速度、穩(wěn)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(shù)所致。
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作者：智薈科技
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