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網絡計算機中IC卡讀寫器子系統(tǒng)設計
摘要：針對網絡計算機安全問題，提出了一種完整的智能IC卡讀寫器子系統(tǒng)設計方案。此方案討論了基于單片機的IC卡讀寫器硬件和軟件設計、基于PC/SC行業(yè)規(guī)范的讀寫器驅動程序設計和IC卡的軟硬件選取。隨著網絡的飛速發(fā)展和計算機技術的不斷進步，計算機應用模式正發(fā)生著巨大的變革。網絡計算機（NC）的出現(xiàn)標志著計算機體系結構的革新，代表著未來計算機系統(tǒng)的發(fā)展方向。由于網絡計算機可以采用開放源碼操作系統(tǒng)，為發(fā)展帶有自主知識產權的核心技術創(chuàng)造了有利條件。在開放源代碼的操作系統(tǒng)中，Linux是一種較好的選擇。它源代碼公開，可以根據(jù)要求自行剪裁并且穩(wěn)定，對資源要求低，有大量應用軟件支持。按照網絡電腦的特定需求，可以開發(fā)出具有自主智能產權的CPU，從而提高網絡電腦的安全。網絡電腦走的是一種網絡服務器集中式管理的道路，具有成本低廉、管理費用低的優(yōu)勢。
為此，國家863計算機軟硬件技術主題發(fā)展規(guī)劃提出了以下要求：組織優(yōu)勢力量，研究網絡計算機系統(tǒng)的關鍵技術，研制網絡計算機系列產品，選擇若干典型應用領域的進行應用示范，以此推動國產微處理器芯片和系統(tǒng)軟件的發(fā)展，促進我國電子政務、網絡教育、金融、社區(qū)服務、企業(yè)管理等方面的信息化建設。
隨著計算機網絡的迅速發(fā)展，網絡計算機的安全問題顯得非常突出。尤其在某些特殊領域，如電子政務等，安全問題顯得極端重要。目前，在計算機安全方面，有各種不同的方法，但效果都不太好。本文提出的智能IC卡技術，在網絡計算機是一種全新的方法，能夠很好地實現(xiàn)網絡計算機的安全。智能IC卡（Smart IC）具有較高的安全性，以前主要用在金融、電信等領域，筆者把此技術推廣應用到網絡計算機，以提高安全性。智能IC卡本身含有自行研制的COS（Chip OS）和加密算法，并采用多密鑰、多加密算法體系，對所有的敏感數(shù)據(jù)文件加密保護。如圖1所示。
IC卡子系統(tǒng)是整個網絡計算機系統(tǒng)網絡安全的核心，它保存了加密算法所需要的私有密鑰，供加密算法對網絡上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)加密使用。
1 IC卡讀寫器硬件開發(fā)方案
IC卡作為一種信息技術可以廣泛應用于許多行業(yè)領域，如金融、電信等，不同領域均有各自不同的應用特點、應用環(huán)境和應用要求。IC卡在某一領域的應用，必須適應該領域的特點。國際上有關組織及部分針對各個領域的不同要求，制定了IC卡在某一領域應用所應參考或遵循的應用標準。不過所有智能IC卡都必須符合國際標準化組織的ISO/IEC 7816國際標準。讀寫器的硬件也必須遵循ISO/IEC 7816國際標準。
ISO/IEC 7816標準要求IC卡與IC卡讀寫器使用串行通信，時序要求非常嚴格。常用的MCS51系列單片機速度較慢，每個指令周期需要12個機器周期，較難達到該標準所要求的嚴格時序。Microchip公司的PIC系列單片機采用RISC結構，每個指令周期為4個時鐘周期，并且除轉移指令外，所有指令都可以在一個指令周期內完成，速度較快，能夠滿足該標準對時序的嚴格要求。所以采用一片PIC16C73單片機作為IC卡讀寫器的控制器。
讀寫器與IC卡的通信，采用半雙工的ISO 7916-3字符幀協(xié)議標準。3.57MHz的晶振為IC卡和讀寫器提供時鐘。在缺省工作方式下，IC卡和讀寫器的通信速率為9600bps。即時鐘頻率為3.57MHz，每372個時鐘輸入或輸出一個比特位。在未來需要較高通信速度時，可以在對程序作較小改動的前提下，提高晶振頻率，如采用2×3.57MHz的晶振。
IC卡讀寫器與NC之間的通信，可以采用USB接口、并口、串口、PS/2口等多種方案。采用USB接口可以實現(xiàn)即插即用和熱拔插等功能。但使用USB接口，電路和協(xié)議都很復雜，并且增加USB接口器件會較大地增加系統(tǒng)成本。并口有較高的通信速度，但通信線路較多，硬件比較復雜，可靠性不好，且IC卡讀寫器并不需要太高的通信速度，故使用并口也不是理想的方案。而PS/2口一般固定給鍵盤和鼠標等標準外設使用，使用PS/2口就會占用這些標準外設的接口，故也不在考慮范圍之內。使用串口通信雖然速度慢，但卻具有硬件成本低、軟件實現(xiàn)簡單、運行可靠等優(yōu)點。而通信速度完全可以滿足IC卡讀寫器的要求。所以IC卡讀寫器采用了RS232串口與NC主機通信的方案。
整個系統(tǒng)使用5V電壓供電。IC卡讀寫器采用低功耗設計，系統(tǒng)電源從RS232接口的信號線上獲得。RS232接口的電壓為±12V,經過電源穩(wěn)壓器件LP2950將12V電壓變?yōu)?5V，給IC卡讀寫器所有器件提供電源。
IC卡讀寫器硬件的原理框圖如圖2所示。
IC卡各引腳接到單片機I/O口上，由單片機對IC卡進行讀寫。由于PC（NC）機的RS232接口電平與單片機的邏輯電平不同，所以需要對串口信號進行電平轉換。圖2中使用了電平轉換器件。它把單片機的TTL邏輯電平轉化為RS232接口的±12V電平，實現(xiàn)單片機與RS232的透明傳輸。轉換后的信號直接接在RS232接口上。
2 IC卡讀寫器軟件開發(fā)方案
IC卡讀寫器驅動程序由讀寫器與IC卡通信的通信程序、讀寫器與NC或PC通信的通信程序以及NC與讀寫器通信的驅動程序三部分組成。其中，NC與IC卡讀寫器通信的程序符合PC/SC規(guī)范，它與PC/SC規(guī)范的中間件結合，向應用程序提供符合PC/SC規(guī)范的API函數(shù)。
2.1 讀寫器與IC卡通信的通信程序
該通信程序采用ISO 7816-3字節(jié)協(xié)議標準編制。使用T=0，即字符協(xié)議，主要實現(xiàn)與IC卡的通信。由于選用的時鐘為3.57MHz，在IC卡I/O口默認的9600bps通信速度下，每隔372個系統(tǒng)時鐘脈沖，I/O狀態(tài)可能變化一次。所以，為了準確讀取IC卡I/O狀態(tài)，在IC卡輸出的每一位脈沖中間，即I/O啟動186個時鐘周期后，讀取I/O狀態(tài)。為了排除可能的干擾，在186個時鐘周
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