sim的软硬件接口

SIM卡的硬件和软件接口设计
移动通信
作者：黄智
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。

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。

一、SIM卡接口电路
SIM卡引脚功能的定义如表1所列：
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。

二、单片机与SIM卡的接口
单片机与SIM卡的接口电路如图1所示。

该电路主要由外围有源晶体Y2提供4MHz、稳定的时钟频率给SIM卡，电源由一颗LDO输出3.3V、纯净的直流电到SIM卡的Cl_VCC上。

这里选择ST7267的PE2脚作为I/O引脚，通过一个4.7 kΩ的上拉电阻与SIM卡实现通讯;选择PE3脚作为SIM卡的复位控制引脚。

四、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。

五、底层软件设计
SIM卡的数据传输方式与其他存储卡不同，它遵循ISO7816标准。

因此在进行SIM卡读写设计时应该注意数据传输时每一个数据位的宽度，然后按照ISO7816的标准编写程序。

首先是接收到正确的复位应答信号(ATR)，其次是向SIM卡发送命令，得到正确的返回数据和状态标志。

5.1 ETU的计算
ETU(基本时间单位)就是SIM卡I/O脚上输入/输出每一位数据的时间，计算公式是;
其中：参数F和D分别是时钟频率转换因子和波特率调整因子，这里使用默认的速率，即F=372，D=1;使用的时钟频率f是4MHz。

可以计算出基本时间单位是93μs。

5.2 基本数据帧结构
通信使用的协议是ISO7816-3所规定的T=0的异步半双工字符传输协议。

基本的数据帧是由1个起始位(低电平)、8个数据位和1个奇偶校验位组成的，如图2所示。

其中，校验位是将8个数据位与其自身做偶校验，也就是其中1的个数必须足偶数。

起始位不做校验运算。

在保护时间内SIM卡和单片机都要处于高电平(即I/O口是高电平)。

在T=O协议里，如果SIM卡或者单片机检测到奇偶校验结果不正确，则在保护时间内把I/O端口拉低，以示出错。

5.3 SIM卡的APDU结构
应用协议数据单元APDU(Application Protocol Data Units)包括了命令APDU以及应答APDU，其结构如下：
其中：CLA是指令的类别，A0被制定为GSM的应用;INS是指令代码;Pl、P2、P3是指令参数，P3指示的是数据的长度; Data就是要传输的数据;SWl和SW2就是命令处理后返回的状态。

5.4 基本程序模块的设计
设myBit为从I/O端口采样的存储变量，设Parity为奇偶校验变量，Parlty的初始化值为0。

每次从I/O口采样后，my Bit都要与Parity进行一次“异或”，结果放入Parity。

这样采样9次后，如果Parity的最终值是0，就说明奇偶校验正确;如果不是0，就说明读取数据失败，返回错误信息，要求发送者重发。

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