Не считая процессора, наиболее важными элементами микроконтроллера являются различные виды памяти. Микроконтроллеры смарт-карт имеют три вида памяти: оперативная память ОЗУ (RAM), постоянная память ПЗУ (ROM) и энергонезависимая память ЭСППЗУ (EEPROM).

Архитектура памяти смарт-карт

ОЗУ является частью памяти смарт-карты, в которой данные могут храниться и изменяться в течение сессии. Число обращений к памяти не ограничено. Для работы ОЗУ необходима подача электропитания. При выключении или временном отключении электропитания содержимое ОЗУ не сохраняется. Ячейка ОЗУ состоит из нескольких транзисторов, соединенных таким образом, что они функционируют как мультивибратор с двумя устойчивыми состояниями. Состояние этого мультивибратора представляет хранимое значение одного бита в ОЗУ.

  
К процессору смарт-карты предъявляется требование высокой надежности. Поэтому в смарт-картах обычно используются процессоры, которые прошли длительную апробацию в других областях. Производители смарт-карт предпочитают доверять более старым процессорам, которые были проверены на практике, а не экспериментировать с последними разработками производителей полупроводниковых микросхем. Аналогичного подхода придерживается авиакосмическая промышленность, для которой жизненно необходима функциональная безопасность используемых компонентов.

Центральный процессор смарт-карт

Обычно размер адресуемой памяти в смарт-карте находится между 6 и 30 Кб, поэтому использование 8-битовой шины памяти не накладывает каких-либо значительных ограничений. Сами процессоры основаны на архитектурах RISC (reduced instruction set computer - компьютер с урезанным набором команд) и CISC (complex instruction set computer - компьютер с комплексным набором команд).

  
Смарт-карты предназначены для использования в приложениях, которые предъявляют высокие требования к безопасности хранения и обработки данных в смарт-­карте. Общепризнанный и наиболее безопасный подход к интегральной схеме смарт-карты состоит в компоновке всех ее функциональных элементов (ЦП, СП, памяти, схем ввода/вывода и др.) на одном кристалле. Целью такого подхода к компоновке является обеспечение всех функциональных возможностей в малом физическом объеме и укрытие взаимных соединений между элементами микроконтроллера внутри чипа.

Безопасность и функциональность смарт-карт

Если бы микроконтроллер смарт-карты был выполнен на нескольких чипах, то соединения между этими чипами стали бы очевидными местами атак злоумышленников. Объединение элементов микроконтроллера в одном чипе затрудняет внешнему наблюдателю перехват сигналов, передаваемых между элементами, и соответственно распознавание информационного содержания этих сигналов, что повышает безопасность хранимых и обрабатываемых смарт-картой данных.

  
Центральным элементом микропроцессорной смарт-карты является микроконтроллер, встроенный в карту. В контактных смарт-картах чип с микроконтроллером располагается под контактной площадкой. Микроконтроллер инициирует, управляет и отслеживает все операции смарт-карты. Различают два основных варианта архитектуры микроконтроллеров: классическую архитектуру фон-Неймана и гарвардскую архитектуру.

Микроконтроллеры смарт-карт

Для архитектуры фон-Неймана характерен общий доступ к памяти программ и данных. При гарвардской архитектуре доступ к памяти данных и памяти про­ граммы осуществляется раздельно. Большинство микроконтроллеров для смарт-карт строятся на основе гарвардской архитектуры. Микроконтроллеры, разработанные для применения в смарт-картах, являются функционально полными компьютерами, то есть они содержат процессоры, несколько типов памяти и интерфейсы с внешней средой.

  
В зависимости от типа встроенной интегральной микросхемы различают две группы смарт-карт: карты с интегральной схемой памяти и карты с интегральной схемой микроконтроллера. Карты с интегральной схемой памяти (карты с памятью) используются для хранения информации различных приложений. Память на таких типах карт может быть свободной для доступа или содержать схемы контроля доступа к памяти карты для ограничения и защиты операций чтения и записи данных. В качестве памяти обычно используется электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство ЭСППЗУ.

Аппаратные компоненты смарт-карт

В некоторых новых разработках карт с микросхемой памяти улучшена безопасность: используются более сложные схемы безопасности, которые могут выполнять простое шифрование; введена схема адресации памяти, требующая наличия общего секрета между терминалом, производящим запись в чип карты, и самой картой. Карты с интегральной схемой микроконтроллера (микропроцессорные карты), в отличие от карт с памятью, содержат в себе микроконтроллер со специальной программой или небольшой операционной системой, которая позволяет преобразовывать данные по определенному алгоритму, осуществлять защиту хранящейся на карте информации при передаче, чтении и записи.

  
Как отмечалось выше, традиционными сферами применения микропроцессорных контактных смарт-карт являются платежные приложения (денежная карта, электронный кошелек). Бесконтактные микропроцессорные смарт-карты традиционно используются в приложениях, которые требуют дружественности по отношению к пользователю, например в системах контроля доступа, и короткого времени транзакций, например в электронных билетных системах оплаты проезда в общественном транспорте.

Микропроцессорные смарт-карты с двойным интерфейсом

Тенденция, направленная на комбинирование платежных приложений с типичными бесконтактными приложениями (смарт-карта с билетной функцией), в конечном счете привела к разработке смарт-карты с двойным интерфейсом, в которой на одном чипе доступны как контактный, так и бесконтактный интерфейсы. Соответственно, к карте с двойным интерфейсом можно обращаться как через контактный, так и через бесконтактный интерфейс.

  
Микропроцессорные смарт-карты все шире применяются в разнообразных приложениях. Ядром чипа в микропроцессорной карте является центральный процессор (ЦП), который, как правило, окружен четырьмя дополнительными функциональными блоками: сопроцессор, ПЗУ (КОМ - read only memory), ЭСППЗУ (EEPROM - electrically erasable programmable read-only memory), ОЗУ (RAM - random access memory) и порт ввода/вывода.

Микропроцессорные смарт-карты

Сопроцессор предназначен для разгрузки ЦП от трудоемких операций криптозащиты смарт-карты. ПЗУ содержит операционную систему чипа, которая записывается в ПЗУ при изготовлении чипа. Таким образом, содержимое ПЗУ одинаково для всех чипов произведенной партии и оно не может быть изменено в течение всего срока службы чипа. ЭСППЗУ - это не разрушаемая память чипа. Данные и программный код могут быть записаны и считаны из ЭСППЗУ под управлением операционной системы.

  
Самые первые смарт-карты были картами с микросхемой памяти, содержащей только энергонезависимую память и схемы, необходимые для чтения из памяти. Карты с микросхемой памяти используются для хранения информации в постоянном режиме или в режиме с перезаписью. Сегодня эти карты составляют наибольшую долю используемых смарт-карт. Такие карты относительно недороги и обеспечивают невысокую безопасность для различных применений: от карточек по оплате проезда до телефонных карточек. Данные, необходимые для приложения, хранятся в памяти, в качестве которой обычно используется ЭСППЗУ.

Смарт-карты с микросхемой памяти

Доступ к этой памяти контролируется блоком безопасности, который в простейшем случае включает защиту от записи или стирания всей памяти либо только некоторых ее областей. Данные передаются к карте и с карты через порт ввода/вывода (I/O). Чаще всего в картах памяти применяется синхронный механизм обмена между считывателем и картой. Существенно, что схемы смарт-карты выполняют в прямом синхронном режиме только команды низкого уровня, выдаваемые считывателем для указания адресов памяти с чтением по этим адресам или с записью в них. В стандарте ISO 7816 (Часть 3) определен специальный протокол синхронной передачи, который позволяет реализовать простую и экономичную ИС чипа.

  
Для того чтобы передать энергию, в обмотке терминала генерируется сильное высокочастотное магнитное поле. Обычно используются частоты 125 кГц и 13,56 МГц. Если смарт-карта вносится в окрестность терминала, через обмотку этой карты проходит часть магнитного поля терминала, которое наводит напряжение Ui. Это напряжение выпрямляется, чтобы служить в качестве источника энергии для чипа. Поскольку связь между обмотками терминала и карты довольно слабая, эффективность этой схемы передачи энергии очень низка. Поэтому в обмотке терминала необходимы довольно высокие значения тока, чтобы добиться необходимых уровней напряженности магнитного поля.

Возможности и преимущества бесконтактных смарт-карт

Для передачи данных от терминала к карте могут использоваться известные методы цифровой модуляции. Наиболее употребительными методами являются амплитудная модуляция ASK, частотная модуляция FSK, фазовая модуляция PSK. Обычно используются ASK и PSK, поскольку они особенно удобны для выполнения демодуляции.
В передаче данных в обратном направлении - от смарт-карты к терминалу - используется разновидность амплитудной модуляции, называемая нагрузочной модуляцией. Она создается путем дискретного изменения нагрузки в карте с помощью сигнала данных, подлежащих передаче на терминал.

  
Смарт-карты с бесконтактным интерфейсом позволяют преодолеть отмеченные технические проблемы. Бесконтактные карты не требуют какого-либо электрического соединения между смарт-картой и терминалом карты для того, чтобы передать энергию и данные на короткое расстояние. Остановимся подробнее на принципах действия бесконтактного интерфейса между смарт-картой и терминалом.

Бесконтактный интерфейс смарт-карт

Как и системы со смарт-картами контактного типа, система, использующая карты с бесконтактным интерфейсом, включает два компонента, а именно саму карту и терминал, который может функционировать как считыватель или как устройство считывания/записи в зависимости от используемой технологии. Терминал, как правило, имеет еще дополнительный интерфейс, через который он осуществляет связь с базовой системой.


Яндекс.Метрика Rambler's Top100 Рейтинг@Mail.ru   "СМАРТ Системы"      © 2007-2016 Все права защищены.