采用SO7816标准规范的SIM卡读卡器的研究

1 sim卡（subscriber identity module）
即用户识别模块，是一张符合gsm规范的“智慧卡”。sim卡可以插入任何一部符合gsm规范的移动电话中，“实现电话号码随卡不随机的功能”，而通话费则自动计入持卡用户的帐单上，与手机无关。
sim卡作为智能卡中特殊的一类卡，采用标准的接触式ic卡。他受到iso7816标准（接触式集成电路ic卡的规定）和etsi（欧洲电信标准委员会）的gsm11.11等标准的规范。他沿袭了智能卡在安全中的特色，并在移动用户认证和移动商务中扮演重要的角色。
目前手机用户将一些重要的电话号码都储存在手机的sim卡上。如果手机失窃，用户可以买一部新的，但是储存的号码怎么办呢？如果用户能事先将储存在sim卡上的电话号码做一份电子拷贝，这样就算手机丢失了，用户还是可以很容易地将保存的号码写入到新的sim卡里。为此，研究并设计了sim卡读卡器，通过他可以将手机sim卡中信息读取到电脑中，方便地实现电话簿和短消息的编辑、备份和管理。为经常使用手机的用户提供了一个经济、便捷的信息备份管理解决方案。
2 sim卡常识
sim卡是一张符合gsm规范“智能卡”，他实际上是一个装有微处理器的芯片卡，内部有5个模块，且每个模块都对应一个功能：cpu（8位）、程序存储器（3～8 kb）、工作存储器（6～16 kb）、数据存储器（128～256 kb）和串行通信单元。sim卡能实现存储数据（电话本、短消息等）和在安全条件下（个人身份号码pin、鉴权钥ki正确）完成客户身份鉴权和客户信息加密算法的全过程。这些功能都是由sim卡内的一部具有操作系统的微处理机完成。sim卡具有机卡分离（sim-me接口）、通信安全可靠、成本低等特点。
（1） sim卡的物理特征：可以分尺寸为54 mm×84 mmid-1 sim（大卡）和尺寸为25 mm×15 mmplug-in sim（小卡）两种。
（2） sim卡的存储容量：一般sim卡有8 kb的存储容量，另外还有容量分别为16 k和32 k的sim卡，即stk sim卡。
（3） sim卡的使用温度：标准温度-25～+70℃，极限温度-35～85℃，极限情况下每次使用不得超过4小时，总共使用不得超过100次。
（4） sim卡的使用寿命：物理寿命是取决于客户的插拔次数，约在1万次左右；而集成电路芯片的寿命取决于数据存储器的写入次数，不同厂家
其指标有所不同，就mo-torola经试验室试验约5万次左右。平均寿命约为4年。
3 sim卡与移动台设备的接口
sim卡芯片有8个触点，与移动台设备相互接通：
（1）电源vcc（触点c1）：4.5～5.5 v，icc《10 ma；
（2）复位rst（触点c2）；
（3）时钟clk（触点c3）：卡时钟3.25 mhz；
（4）不提供（触点c4）；
（5）接地端gnd（触点c5）；
（6）编程电压vpp（触点c6）；
（7）数据i／o口（触点c7）；
（8）不提供（触点c8）。
sim卡同移动台设备连接时至少需5个连接线：数据i／o口（data）、复位（rst）、接地端（gnd）、电源（vcc）、时钟（clk）。他与基带单元的接口电路如图1所示。其中sim cd为sim卡检测脚，用于检测sim卡的拔插；sim clk为me提供的读／写sim卡的参考时钟；simrst为sim卡复位信号；sim io为串行数据输入／输出线，由20 kω上拉电阻上拉至高电平；sim rnw为读／写控制信号，用以指示当前sim_io线上数据传输的方向；sim pwctrl为功率控制信号，可在空闲方式时控制sim卡上的电源关闭，从而降低功耗，延长待机时间。
4 sim卡内部数据结构
sim卡共有3类数据文件：主文件（master file，mf）、专用文件（dedicate file，df）、基本文件（elementfile，ef）。组织结构规定如下：
0x3f00代表根目录，0x2fxx代表根目录下的基本文件；
0x7fxx代表一级子目录，0x6fxx代表一级子目录下的基本文件；
0x5fxx代表二级子目录，0x4fxx代表二级子目录下的基本文件。
5 sim卡上电复位流程
sim卡符合国际标准iso7816的要求，按照协议中的规定，sim应有8个触点，包括电源接口、复位控制接口、时钟输入接口、数据输入输出接口，sim卡工作时整体电流消耗小于10 ma。sim卡的时钟频率可由外部提供，在指定时问内运行鉴权过程时至少需要13／4 mhz的时钟频率，其他情况下，使用最小为13／8 mhz的时钟频率。i／o端口的数据传输波特率为时钟频率的1／372。
5.1 触点接通与冷复位时序（activation and cold reset）
初始时，所有端口皆处于低电平（l）态，电压范围0～0.4 v；vcc电源电压先上电（h态），后提供vpp编程电压，在智能sim卡中，vpp端无用，电压范围5 v±0.4 v；vcc电源端稳定一段时间后，将io端口置为接收方式（h态），并提供稳定的clk时钟信号（注：io口需在提供clk信号前或在提供clk信号后200个时钟周期内（ta）置为接收方式）；rst复位信号需在提供clk信号后400个时钟周期内（tb）保持l态，之后才可置为h态；提供复位信号后400～40 000个时钟周期内（tc），i／o口有复位应答。
5.2 热复位时序（warm reset）
热复位在冷复位失败情况下使用，过程中保持vcc为h态，且有稳定的clk时钟信号；热复位时需保持rst端为l态的时间至少为400个时钟周期（te）；在rst端置l态之前或之后200个时钟周期时间内（td），io口应置为接收方式；在rst置为h态后的400～40 000个时钟周期内，i／o口有复位应答。
5.3 时钟停止时序（clock stop）
外部控制停止时钟，可使sim卡通信暂时中断，过程中保持vcc端与复位端rst为h态；要停止时钟，需在i／o口输出最后一个字符之后等待至少1 860个时钟周期（tg）；恢复时钟后至少等待700个时钟周期（th），i／o开始有字符输出。
5.4 触点释放时序（deactivation）
将rst端置为l态；结束clk输入并将i／o口置为l态；最后将vcc端置为l态。
5.5 sim卡的复位应答
sim卡的触点被激活之后，终端启动一个冷复位。如果sim卡在冷复位后回送的字节数不符，或在19 200个初始etu之内复位应答未完成，终端不立即终止卡片操作过程，而是再发一个热复位信号。如果仍然得到同样的结果，那么，接口没备应释放触点，否则卡将继续进行后续操作。流程如图6所示。
复位应答最多为32个字节（包括历史字符，不包括初始字符），其中历史字符最多为15个字符，协议分为t=o与t=1两种，一张sim卡只支持其中的一种协议。位持续时间：在io上的位持续时间被定义为一个基本时间单元etu。复位应答期间的位持续时间称为“初始etu”。初始etu=372／fs=372个时钟周期。复位应答之后的位持续时间称为“当前etu”，当前etu=f／d／fs。f为时钟频率变换因数，d为比特率调整因数，均在sim卡复位应答的接口字符ta1中给出，缺省值为f=372，d=1，即复位应答之后的当前etu=初始etu。复位应答过程中相连两字符起始位前沿之间的最小时间间隔为12个初始etu，最大时间间隔为9 600个初始etu，所有应答字符在19 200个初始etu的时间内传送完，即从第一个字符的起始位前沿到最后一个字符起始位前沿后的12个初始etu结束）。
复位应答格式：
ts 初始字符（强制性的），确定后续字符传送顺序（高位先送还是低位先送）；
to 格式字符（强制性的）；
ta1／tb1／tc1／td1～tai／tbi／tci／tdi 接口字符（选择性的）；
t1～tk历史字符（选择性的）；
tck 校验字符（有条件的）t=0时不出现。
6 sim卡信息交互规程
6.1 sim卡信息交互指令格式
6.1.1 命令格式
6.1.2 应答格式
data：响应数据； sw1／sw2：返回命令状态。
6.1.3 通用错误返回代码表
6.2 常用的基本指令
6.2.1 目录或文件选择指令（select）
选择一个文件，选择成功后，对线性固定型文件，记录指针不确定。对循环型文件，记录指针指向最近更新或增加的一条记录。
0x9f代表命令正确执行，xx为sim卡返回的数据长度；返回0x94／0x04，代表给出的目录地址是错误的。在复位应答之后（atr），主要文件（mf）被默认为选中，成为当前目录。然后，可采用符合下列原则的select功能来选择每种文件：
① 选择df或mf设为当前目录；df是在选择任何他的ef之前被先选择出来
② 选择ef设为当前文件，df或mf是ef的上层。当前ef总是当前目录的下层。
可选择的文件包括：属于当前目录的直接子文件；属于当前df的父文件的直接子df；当前月录的上层；当前df；mf。
6.2.2 取前一命令应答数据指令（get response）
length（r）：响应数据最大长度。
全部命令响应为：
0x90／0x00代表命令正确执行。
6.2.3 从透明的数据文件中读取以二进制形式存储的字节串指令（read binary）
0x90／0x00代表命令正确执行；返回0x94／0x00，代表没有数据文件被选中，即当前被选中的可能是目录而不是文件；返回0x94／0x08，代表当前目录或数据文件与指令不一致，即当前数据不是以二进制形式存储的；返回0x98／0x04，代表本次操作不满足存取安全规则，密码认证未通过。
7 sim卡数据读写测试
sim卡数据读写测试的具体步骤及其结果如下：
step1 sim卡首先上电复位，原则是先接通触点，后启动冷复位，若冷复位失败，启动热复位，若热复位也不成功，则释放触点并报错。冷复位或热复位成功后，sim卡应输出复位应答。
实验测试中取得的复位应答信号如下：
0x22代表指令返回数据最大为34个字节；
sim卡返回：
step5：发送取命令响应数据指令：
0x00代表数据偏移地址为0，即从第一个字节开始读数据；0x09表示imsi信息有9个字节；
sim卡返回：
0xb0代表响应数据对应的指令为read binary；0x08代表imsi号有8个字节数据；0x90／0x00代表命令正确执行。按照协议，该sim卡imsi号即为：
460 00 0104559542，符合国际移动用户识别码imsi（international mobile subscriber identification number）的编码规则，即imsi（国际移动用户识别码）=mcc（移动国家号）+mnc（移动网号）+msisdn（移动用户号码）。
8 结语
sim卡符合gsm规范，采用标准的接触式ic卡，受到iso7816标准的规范。本文在研究接触式集成电路ic卡国际标准iso7816的基础之上，提出了一种sim卡读卡器的设计方案，针对sim卡信息交互规程给出了具体的测试步骤，测试结果证明了该设计的可行性，读卡器能够稳定可靠地工作。