كارت های هوشمند چگونه ساخته شدند

مقدمه:
كارت هاي هوشمند مانند كارت هاي اعتباري و كارت هاي تلفن اطلاعات را روي يك تراشه ميكروپروسسوري كه در بدنه كارت قرار داده مي شود، ذخيره مي كنند. انواع مختلفي از كارت ها كه امروزه استفاده مي شوند مي توانند هزاران بار اطلاعات را بيشتر از نوارهاي مغناطيسي ذخيره كنند. بعلاوه اين كارت ها به علت مكانيزم كد گذاري پيشرفته اي كه دارند از اهميت بالايي برخوردارند.

منطقه 1996 2000
امريكاي شمالي 3% 12%
امريكاي جنوبي 11% 10%
اروپاي غربي 70% 40%
آسيا 10% 30%

جدول شماره 1- توزيع كارت هوشمند در دنيا

متوسط رشد جهاني 2000 * 1996 * كاربرد كارت
29% 1500 605 Pay Phone
25% 45 20 GSM
14% 120 70 Health Care
105% 250 40 Banking
280% 300 20 Identity Access
247% 200 15 Transportation
80% 75 15 Pay TV
780% 200 5 Gaming
140% 80 10 Metering / Vending
280% 75 5 Retail Loyaly
* برحسب ميليون
جدول شماره 2- كاربردهاي عمومي كارت هوشمند

موتورلا اولين تراشه IC هاي كارت هاي هوشمند را در سال 1979 توليد كرد. از ديگر شركت هاي توليد كننده تراشه IC هاي كارت هاي هوشمند مي توان از Siemence، Philips و Hitachi نام برد.

شرح مقاله:

كارت هوشمند چيست؟
كارت هوشمند كارتي است از جنس پلاستيك كه توسط مدار مجتمعي كه در آن جايگزاري شده، هوشمند مي شود. پيوند ميان كارت پلاستيكي و يك ميكروپروسسور امكان ذخيره و بازيابي و پردازش داده را به صورت On Line يا Off Line فراهم مي سازد. كارت هاي هوشمند چندين برابر نوارهاي مغناطيسي توانايي ذخيره اطلاعات را دارند.
كارت هاي هوشمند از نظر نحوه عملكرد به دو نوع Contact و Contactless تقسيم مي شوند. در كارت هاي Contact اطلاعات اط طريق يك ماژول الكترونيكي كه به دستگاه redear، ارتباط دو طرفه برقرار كي كند، منتقل مي شود.
كارت هاي Contactless حاوي يك Coil آنتن هستند كه به آنتن گيرنده ارتباط برقرار مي كند تا بتواند اطلاعات را انتفال دهد. (در اين مقاله اتكاي ما روي كارت هاي Contact مي باشد)
كارت هاي هوشمند براساس نوع و محتويات تراشه به كار رفته در آنها به سه دسته تقسيم مي شوند.
1.Memory with CPU 2.Memory only 4.Memory with Security logic

با توجه به كاربرد كارت هوشمند مشخصات متمايزي براي تراشه كارت، نرم افزار MASKROM و نرم افزار كاربردي در نظر گرفته مي شود.
MASKROM حاوي سيستم عامل كارت هوشمند مي باشد. برنامه كاربردي بعد از توليد درون تراشه بار مي شود و با استفاده از حافظه EEPROM امكان تغيير برنامه كاربردي را فراهم مي سازد. برنامه ريزي EEPROM عموماً با زبان برنامه نويسي Java صورت مي گيرد.

منبع:انجمن مهندسی برق

 

حافظه EEPROM كه شامل اطلاعات كاربر و برنامه هاي كاربردي مي باشد دو بخش دارد. يك بخش حفاظتي دارد و بخش ديگر كه از طريق ترممينال هاي كارت مي توان به آن دسترسي پيدا كرد و اطلاعات كاربردي را كسب كرد. وقتي كه ناحيه حفاظت شده EEPROM با اطلاعات مناسب بارگذاري شد، كارخانه توليد كننده كارت هوشمند مي توانند فيوزهايي را كه داخل تراشه وجود دارد قطع كند تا آن ناحيه غير قابل دسترسي شود. علاوه بر مسيري براي قطع و وصل الكتريكي مسيري براي تست كردن وجود كه در قسمت خارجي قرار دارد. بين اين مسيرهاي كنترلي و خود تراشه فيوزهايي وجود دارد، بعد از تست كردن IC اين فيوز قطع مي شود تا از تأثيرات الكتريكي ناخواسته قطعه جلوگيري شود. همگام با پيشرفت تكنولوژي فابليت regrowth به ايت فيوزها اضافه شده است كه در اين حالت بعد از تست كردن مسير تست به طور فيزيكي قطع مي شود
كارت هاي پردازنده (Memory with CPU):
كارت هاي هوشمند Memory only و Mermory with security logic در واقع زير مجموعه اي از كارت هاي پردازنده مي باشند. كارت هاي پردازنده كارت هاي هوشمندي با يك پردازنده on-board عمليات متنوعي در زير كند بندي با مكانيزم پيشرفته امنيتي و پردازش محلي داده ها و محاسبات پيچيده را نيز ارائه مي دهد.
كارت هاي Contact كه متداول ترين نوع ICC مي باشند 8 كنتاكت دارند كه 6 تاي آنها مورد استفاده قرار مي گيرد (طبق استاندارد ISO) كه كارت از طريق اين Contact ها با reader ارتباط برقرار مي كند.

شناسايي Contact ها:
1. Vcc (منبع تغذيه) 2. GND 3. CLK (پالس ساعت) 4. Vpp (ولتاژ برنامه ريزي)
5. RST (سيگنال reset)
6. خط I/O (ارتباط سريال ميان ورودي و خروجي)

Vcc:
منبع منبع تغذيه براي Ic ولتاژ بين 4.75v تا 5.25v و جريان مصرفي 200mA تعريف مي شود. چون اكثر reader هاي موجود با 5v (طبق استاندارد ISO) كار مي كنند، Ic هايي كه در كارت هاي متداول استفاده مي شوند با 5v كار مي كنند. اكثر اين كارت ها جرياني بين 10mA تا 20mA را در فركانس 3.5MHz دارند.

:
اگرچه مدار مجتمع، خودش مي تواند شامل مدار به منظور راه اندازي مدار درون مي باشد ولي در عمل بيشتر به تراشه هاي Ic با يك پالس ساعت خارجي از طريق دستگاه رابط (reader) تغذيه مي شوند. آنچه بايد مورد توجه واقع شود اين است كه سرعت انتقال سريال ورودي I/O به طور مؤثري توسط فركانس اين پالس تعيين مي شود.

Vpp:
اين سيگنال براي تأمين ولتاژ مورد نياز براي برنامه ريزي حافظه غير فرار طراحي شده است. پركاربردترين IC ها از حافظه EEPROM كه در آن ولتاژ بالايي در حدود 12.5v تا 21v مورد نياز استفاده مي كنند. معمولاً اين ولتاژ بايد به صورت خارجي از طريق Contact هاي IC تأمين مي شود.

RST:
سيگنال reset توسط دستگاه reader نأمين مي شود و براي برنامه اي كه در IC MASKROM قرار دارد استفاده مي شود.
استاندارد ISO سه مد براي سيگنال reset تعريف كرده است:
1. Internal reset 2. Active low reset 3. Synchronous Active reset

اكثر ميكروپروسسور ها از مد Active low reset استفاده مي كنند كه در آن IC زماني كه سيگنال reset از صفر به يك مي رود (لبه مثبت) كنترل را روي آدرس ورودي در برنامه منتقل مي كند.

خط I/O:
استاندارد ISO، يك Line سيگنال براي تبادل داده بين IC و دستگاه reader تعريف كرده است. اين به اين معناست كه Line بايد نسبت به اينكه IC انتقال دهنده يا دريافت كننده اطلاعات است، تغيير جهت بدهد.
ترتيب عملكرد براي فعال كردن دستگاه reader به صورت زير تعريف مي شود:
1. RST=0
2. اعمال Vcc
3. قرار دادن I/O در مد دريافتي
4. تأمين Vpp
5. تأمين پالس ساعت
6. RST=1

و ترنيب غير فعال كردن IC براي دستگاه reader به صورت زير تعريف مي شود:
1. RST=0
2. قطع پالس ساعت
3. قطع Vpp
4. قطع ورودي
5. قطع Vcc

 

پروتكل انتقال (T):
مشخصات انتقالي بوسيله كارت هاي ميكروپروسسوري كنترل مي شود. وقتي T=0 تداخل در انتقال بايت ها ايجاد مي شود، در حالي كه وقتي T=1 باشد، پروتكل يك Block عملياتي بوجود مي آورد.

انتقال داده به دو صورت انجام مي شود:
1. Half duplex 2. Full duplex
در Half duplex جهت انتقال داده بسته به اينكه IC تراشه يا reader داده را منتقل مي كند تغيير جهت مي دهد. (Line يك طرفه)
در Full duplex دو سيگنال ورودي و خروجي به طور مداوم در دو جهت منتقل مي شوند كه مشابه انتقال همزمان در كانكتورهاي RS232C دز PC مي باشد.
انتقال يك كاراكتر 8 بيتي نياز به چند بيت كنترل دارد:
1. بيت start
2. parity Bit (بيت مقايسه براي آشكار كردن خطاها)
3. Guard time (براي حدا كردن و جلوگيري از تداخل كاراكترها مي باشد كه برابر دو پريود بيتي تعريف مي شود و اگر از بلاك استفاده شود به يك بيت تغيير مي يابد)
نمونه برداري از Line بايد به صورتي باشد كه receiver موقعيت و مكان line را در وسط هر پريود انتقال نمايش دهد.
دستگاه reader دسنور را با پروتكل T=0 آغاز مي كند.
اثر متقابل بين دستگاه رابط و ICC منيجر به فرمان و پاسخ متوالي مي شود، براي اين پروتگل داده فقط مي تواند در يك جهت (يا براي دستور و يا براي پاسخ) جاري شود، چه پيغام فرمان شامل داده براي ICC باشد و چه فرمان داده را از ICC بگيرد. زماني كه نياز به انتقال داده در هر دو جهت باشد آنگاه از دستور (get response) يعد از دستور اوليه براي بازيافتن پاسخ داده استفاده مي شود. تفاوت اين دستور با T=1 اين است كه در T=1 پروتكل يك envelope دور يك بلوك كاراكترها مي گذارد كه اجازه كنترل و به هم پيوستن Block ها و تصحيح خطاها مي دهد.
پس از اينكه دستور get response داده شد ICC با يك بايت procedure پاسخ مي دهد. كه بعد از آن يا داده به ICC و يا از ICC با توجه به فرمان ويژه انتقال مي يابد.
اين بايت procedure اجازه كنترل Vpp (ولتاژ برنامه نويسي EPROM) را به دستگاه reader مي دهد در case حافظه EPROM بايت هاي procedure بسيار زيادي هستند.
در اين قسمت به معرفي چند تراشه كارت هوشمند مي پردازيم:
يكي از بزرگترين IC هاي كارت هوشمند ساخت شركت Siemence يك كنترل كننده 8 بيتي است كه شامل يك ميكروكنترلر 8052 مركزي 8 بيتي، 540 بيت پردازشگر كمكي براي اعمال حسابي، 10 كيلوبايت حافظه ROM، 32 بايت PROM، 2.5 كيلوبايت EEPROM و همچنين 606 بيت حافظه RAM (كه 256 بايت براي ميكروكنترلر 8051 و 350 بايت براي پردازشگر) مي باشد. فركانس ساعت مورد نياز اين قطعه 5MHz كه داراي قابليت 512 بيت در كمتر از 220 ميلي ثانيه مي باشد.
IC با شمارشگر P83C852، IC ديگري است كه به خوبي داراي ويژگي هاي حفاظتي مي باشد. در اين IC مدارهايي براي آشكار كردن فركانس و ولتاژ كار قطعه وجود دارد كه اگر ولتاژ از مقدار مشخصي كمتر شود يا فركانس كار آن از 1MHz پايين تر شود، از كار كردن مدار جلوگيري مي كند.

 

نتيجه گيري:
كارت هاي هوشمند در صرفه جويي زمان و انرژي نقش بسزايي داشته و قابليت ذخيره اطلاعات بسياري را در حجم كوچكي دارند. خدمات امنيتي اين كه اين كارت ها ارائه مي دهند موجب آسايش خاطر كاربران را فراهم ساخته است. يكي از معايب اين كارت ها هزينه بالاي ساخت آنها مي باشد. همچنين به علت قابليت regrowth برخي از كارت هاي موجود در بازار دستيابي تقلب ي از بعضي از اين كارت ها امكان پذير شده است.