一、IC簡介

隨著超大規模集成電路VLSI的發展，把集成電路IC嵌人類似于信用卡的卡片內，稱為IC卡；進而把單片機也嵌入其內，則稱為智能卡、聰明卡或智慧卡(Smard Card)。故IC卡也可稱為卡式單片機。
　　
　　IC卡根據其結構和應用的特點大致可分為以下4種：
　　
　　1．存儲卡
　　
　　存儲卡( Memory Card)以半導體存儲器取代磁卡的磁條，功能類似于磁卡。存儲卡內的集成電路可以是ROM、PROM、EPROM、EE PROM和RAM（帶有電池）。由于電可改寫的E2 PROM的發展與廣泛應用，內含Ez PROM的存儲卡是存儲卡的發展方向。存儲卡可以加上簡單密碼，故可靠性及保密性高于磁卡。圖1 - 111是256字節E2 PROM存儲卡PCB2032/42結構圖。

該存儲卡中內含256字節的EEPROM，作為讀／寫信息；32字節寫保護區，用來存放不改寫的永久數據。另外，有的存儲卡還有保密功能，如ATMEL公司的128字節的AT102? EE PROM IC卡。
　　
　　2．付費卡
　　
　　付費卡(Debit Card)事實上也是存儲卡的一種。該種IC卡采用預先付費，以后使用時扣去相應的錢款。這種lC卡在使用時，只能減不能加。卡內的金額扣完后可重新買卡（再寫入錢款額）。圖1- 112是104位的E2 PROM付費卡PCF 7960的結構圖。

該卡的104位分為3部分：24位為識別碼數據（IC-Indenification Code數據）．40位為只讀Card?Data，40位為Debit Data。其中，位72～103是可位寫和字節擦除的計數器值，最大計數器值為3×84 -12 288位。
　　
　　3．智能卡
　　
　　智能卡(Smard Card)不但嵌入了存儲器，還帶有CPU，除了具有大容量存儲外，還具有保密、識別等智能功能，如圖1 - 113所示。該類卡可分為如圖1 - 113所示的接觸式和如圖1 - 116所示的非接觸式。智能卡是lC卡發展的方向，目前主要應用于銀行、金融、POS系統及信息管理存取系統等。
　　
　　4．密碼卡
　　
　　密碼卡(Crypto Card)也是智能卡的一種。該IC卡在智能卡基礎上，又嵌入了硬件密碼計算單元，以滿足RSA密碼算法的要求。密碼卡可以滿足公共密碼系統及開放式網絡的要求，是近年來發展的高性能智能卡。
　　
　　IC卡具有存儲容量大和保密性強的特點，因此，不但能取代磁卡應用，而且還具有更廣泛的應用領域：付費電話（公用電話卡）；銀行金融系統（銀行卡）；健康保健系統（健康卡）；售貨、消費（電度表收費，汽車加油）——消費卡；大學、企業管理（公司／校園卡）；收費電視(Pay TV卡)；停車、門禁管理}海關電子護照、身份證；公共汽車、地鐵的電子月票；高速公路、隧道、大橋的車輛自動收費；公共數據庫系統的合法存取。
　　
　　IC卡與磁卡相比，有以下特點：
　　
　　①存儲容量大，可達10 KB，大大超過磁卡的存儲量；保密安全性好，這是磁卡無可比擬的；IC卡的讀／寫可靠性要比磁卡高得多。
　　
　　②IC卡（智能式）是1***立型計算機，可以不必實時聯網使用。這在我國通信設備較落后的情況下更具有現實意義。
　　
　　③一卡多用，如公司卡既可消費（吃飯、購物），又可考勤，借書，借器材及用于資料管理等。
　　
　　④IC卡價格要比磁卡高得多，推廣應用有一定困難。

二、IC卡與單片機

IC卡是把單片機芯片封裝在卡片上，即帶有EE PROM的單片機以片的形式進行應用。
　　
　　MOTOROLA、SGS、OKI、HITACHI、SIEMENS、PHILIPS和ATMEI。等公司都有相應的單片機作智能卡。原則上單片機內含EE PROM都可以作智能卡。表1- 30列出了這些單片機的性能。

圖1 - 114是目前應用量最大的智能卡單片機68HC05SC24的系統結構圖。從圖中可以看出，其結構與M68HC05系列單片機完全相同，只不過片內的Ez PROM容量較大，以及配有相應的Ez PROM所需的充電泵機構(Charge Pump)。

　　
　　隨著人們對智能卡密碼要求的不斷提高，密碼卡也應運而生。PHILIPS公司較早推出了帶有密碼計算單元的83C 852單片機。如圖1- 115所示，它采用了80C 51為核。ROM為6KB．RAM為256字節，EE PROM為2 KB。此外，還帶有512位RSA密碼的高速硬件計算解碼器，其算法為Xe(mod N)R= [(Y．X)+A]。該公開算法計算密碼需440 000年，而83C852單片機只需1.5 s就完成了密碼計算(以往若用軟件實現，至少需1 min)。
　　
　　近來，為了使智能卡應用更為方便，采用非接觸的光電耦合來取代ISO—7816的8點接觸方式。非接觸式的智能卡(Contactless Smart Card)如圖1- 116所示，圖中的線圈可用印制板線圈來實現。非接觸智能卡是新一代的IC卡。香港的地鐵已用非接觸智能卡取代了使用多年的磁卡。
　　
　　表1- 31和表1- 32分別列出了各公司的IC卡芯片的市場占有率和IC卡芯片的技術狀況。

三、IC卡的開發與應用

IC卡是把單片機（或EE PROM）芯片先做成帶有8個觸點鍍金銅片的模塊，然后在PVC(或ABS)塑料卡片上挖個洞，再把模塊嵌入洞中。雖然IC卡與常用的單片機（或EzPROM）只是封裝形式不同，但是，由于形式不同，故開發應用也有所不同。
　　
　　存儲卡只是把串行接口（如I2C總線）的E2 PROM芯片封裝在卡片上。因此，存儲卡的開發應用很方便，可以像常規的串行EE PROM芯片那樣，通過IC卡上的觸點按IIC總線規程來存取信息。
　　
　　智能卡雖也只是把單片機芯片封裝在卡片上，但智能卡的開發應用要比存儲卡復雜得多。智能卡信息的存取在形式上也與存儲卡一樣，通過讀卡器的觸點來串行讀／寫數據。由于智能卡的E2 PROM是在單片機內，故智能卡的讀／寫須通過單片機操作才能進行；同時，智能卡的密碼式存取也須通過單片機解碼認證后才能合法存取信息。所以，智能卡中單片機內的ROM要編有IC卡讀／寫的卡操作系統（Chip?Card Operating System，有別于常說的計算機操作系統）和密碼的算法。智能式IC卡的單片機開發可像常規的單片機開發那樣，先用在線仿真器或軟件驗證板來開發編程，開發好的可進行掩膜，掩膜后的芯片就可以作為智能卡中的芯片。
　　
　　為了便于IC卡的開發與應用，國際標準化組織ISO制定了以下標準：
　　
　　●7816 -1: IC卡的物理特性，如硬度、韌度及耐彎度等；
　　
　　●7816 -2：IC卡的尺寸及接觸點的位置；
　　
　　●7816 -3：IC卡的電信號，如電信號的定義、電壓、電流、工作頻率及啟動時的傳輸協議；
　　
　　●7816 -4：IC卡用于國際交換的行業間命令；
　　
　　●7816 -5：IC卡應用識別時的編號和登記過程；
　　
　　●7816 -6：IC卡用于行業間數據元素。
　　
　　其中：前3部分用于制定IC卡的標準，目前已基本標準化；后3部分用于應用，還在完善之中。另外，根據不同的應用領域，ISO還在制定不同的應用標準。如金融應用標準的ISO-9992，它制定了IC卡的生命周期、事務過程、密碼鍵關系、應用模塊、IC卡密碼算法和IC卡安全驗證等。
　　
　　智能IC卡的開發應用與常規單片機的開發應用方式稍有不同。IC卡的前期開發(7816-3中的IC卡部分的電信號操作、卡操作系統及密碼算法等)由IC卡研制廠商先行開發，其開發過程類同常規單片機的開發過程。開發好的程序掩膜后，作成模塊，嵌入卡片內，形成IC卡供用戶再次開發與應用。如圖1 - 117所示，IC下的生命周期分4個階段：制造期、格式化期、使用期和結束期。制造期，是在IC卡生產廠商的制造中完成；格式化期，是發卡者（如銀行）在生產廠商支持下根據應用進行個性化( Personalization)及格式化；使用期，是持卡者（如客戶）用IC卡存取信息進行應用；結束期，當IC卡失效或存儲區滿時，即失效鎖死。
　　
　　上述開發，卡操作系統是關鍵。它有以下功能：
　　
　　●數據傳輸管理根據7816 -3中的異步半雙工協議，對IC卡與卡終端設備的數據傳輸電信號進行管理。
　　
　　●保密信息管理密碼下數據傳送，信息的加密／解密及驗證處理。
　　
　　●應用管理邏輯通道管理，應用中的多任務處理及管理。
　　
　　●文件管理操作系統由若干個MF(主文件)、DF（專用文件）和EF(基本文件)等組成，
　　
　　信息的存取通過文件管理進行。
　　
　　●存儲器管理文件及應用的安裝管理、檢驗和計算以及自由存儲區的管理。
　　
　　●密鑰管理密鑰作為記錄在文件中，密鑰的存儲、尋址和識別等。
　　
　　●命令管理支持7816-4的卡與終端設備的命令處理及管理。
　　
　　IC卡的應用十分廣泛，特別是在歐洲。在國際上，IC卡主要應用于金融、電信、醫療等方面。
　　
　　國際上的IC卡生產廠商主要在歐洲，而且，大多數在法國，如Bull（布爾）、SCHLUM-BERGER(施倫伯格)、Gemplus（簡帕拉斯）、SIEMENS（西門子）和PHILIPS（飛利浦）公司。表1- 33～表1- 37給出了這些IC卡系列。

我國IC卡的應用從1994年開始，至今已十分廣泛，有不少應用系統。
　　
　　智能IC卡的開發應用，目前主要還是在政府職能部門指導下進行：
　　
　　●銀行卡 上海浦東發展銀行的東方卡采用Bull公司的IC卡。
　　
　　●金稅卡 根據我國新的稅務制采用大容量智能IC卡。
　　
　　●移動電話卡? 我國的GSM卡采用了SCHLUMBERGER公司的IC卡。
　　
　　由于對智能IC卡的開發平臺有一定的要求，應用的規模要有一定的量，因此，智能IC卡的成本也較高。故除了上述較有規模的應用外，在其他方面的應用較少，而且規模也不大。但是，智能IC卡應是IC卡應用的方向。因此，在建立IC卡生產基地的同時，應加強IC卡的操作系統、IC卡開發平臺和IC卡設備的研制，這樣，就沒有必要花高昂費用去購買IC卡的開發系統了，從而可加速我國智能lC卡的開發與應用。
　　
　　E2 PROM的IC卡由于開發方便，卡的成本也較低，因而該類IC卡目前在我國開發應用較多。ATMEL公司的AT102（加密的1K位）在我國應用較早，也較廣泛。如：
　　
　　●公司／校園卡公司／學校的管理、考勤、食堂、小賣部等。
　　
　　●交通卡如電子月票、停車、加油、公路收費等。
　　
　　●電信類卡? 如電話卡。
　　
　　●公用事業收費卡? 如電表卡、煤氣卡、水表卡等。
　　
　　●收費電視卡在有線電視上對某些頻道進行收費。
　　
　　根據我國的情況，IC卡的應用可以中央與地方相結合，既進行智能IC卡的應用開發，也
　　
　　大力推廣E2 PROM IC卡的應用。在應用達到一定規模后，逐步朝智能IC卡應用發展（在一些領域仍可廣泛使用Ez PROM IC卡），并把重點放在非金融類方面的應用。
　　
　　IC卡的應用有其特殊性，特別是開發的成本較高，故切忌一哄而上。不過，只要能正確引導，IC卡的應用會在我國結出碩果。特別是會在以下領域取得具有特色的應用：
　　
　　●金融卡? 由于我國通信線路較差，磁卡在商店消費要花費很長時間，智能IC卡可以當場消費、結算，可取代磁卡的應用。
　　
　　●收費電視卡我國有億萬電視觀眾，此方面應用有較明顯的效益。
　　
　　●身份資料卡如身份證卡（可把指紋、簽字密碼儲存在卡中）、保健卡、電子護照等，其
　　
　　應用在我國尤具意義。