德国专利DE102004015535A1 Übertragungsschnittstelle

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Eswird eine Datenübertragungsschnittstellezum Datenaustausch zwischen einem Lesegerät und einer Chipkarte angegeben,wobei die Datenübertragungsschnittstelleeine variable Anzahl von Kanälenaufweist. Weiter wird ein Verfahren zum Betreiben einer derartigenDatenübertragungsschnittstelleangegeben.
公开号:DE102004015535A1
申请号:DE200410015535
申请日:2004-03-30
公开日:2005-11-03
发明作者:Stefan Dr. Rüping；Laurent Sustek
申请人:Infineon Technologies AG；
IPC主号:G06F13-00

专利说明:
[0001] DieErfindung betrifft eine Datenübertragungsschnittstellezum Datenaustausch zwischen einem Lesegerät und einer Chipkarte, insbesondere vonChipkarten, die überKontakte mit dem Lesegerät verbundenwerden.
[0002] Untereiner Chipkarte versteht man einen kartenförmigen Träger, der einen integriertenSchaltkreis aufweist. Der integrierte Schaltkreis ist mit einer Schnittstelleversehen, die eine Datenverbindung mit dem Lesegerät ermöglicht.Der integrierte Schaltkreis, kurz Chip genannt, kann dabei ein Speicherchipsein, in dem Daten gespeichert sind, oder ein Mikroprozessor, derDaten verarbeiten und verwalten kann. Chipkarten mit Speicherchipswerden z.B. als Telefonkarten, Krankenversicherungskarten und Kartenzum bargeldlosen Bezahlen eingesetzt. Die aufwändigeren Chipkarten mit Mikroprozessorenwerden hauptsächlichfür Verschlüsselungen,wie z.B. zur Authentifizierung eines SIM-Moduls im MobilfunksystemGSM, eingesetzt und könnenkomplexe Rechenoperationen ausführen.Mittlerweile werden auch zunehmend Kombinationen aus beiden Chipkartentypengebildet.
[0003] Für eine weiteVerbreitung von Chipkarten ist eine einheitliche Schnittstelle unerlässlich.Die ISO 7816 Norm ist der am weitesten verbreitete Schnittstellenstandardfür Chipkartenmit Kontakten und definiert mechanische und elektrische Eigenschaften derChipkarte, um eine Kompatibilitätzu gewährleisten.Zum Verbinden der Chipkarte mit dem Lesegerät sieht dieser Standard achtKontaktflächenvor, die in 1 dargestelltsind. Kontakt C1 dient dem Zuführeneines Versor gungspotentials VDD, Kontakt C2 dem Zuführen desRücksetzsignalsRST, Kontakt C3 dem Zuführendes Taktsignals CLK, Kontakt C4 ist für zukünftige Anwendungen reserviert,Kontakt C5 dient dem Zuführendes Massepotentials GND, Kontakt C6 dem Zuführen eines Programmierpotentials VPP,Kontakt C7 dem Zuführeneines Datensignals I/O und der Kontakt C8 ist wie Kontakt C4 für zukünftige Zweckereserviert (RFU, reserved for future use). Von acht Kontakten sindsechs in ihrer Funktion fest definiert und zwei für zukünftige Erweiterungenfreigehalten. Da nur sechs Kontakte notwendig sind, findet man nebenChipkarten mit acht Kontakten auch Chipkarten, die aus Kostengründen nursechs Kontakte aufweisen.
[0004] 2 zeigt die Datenübertragungzwischen Chipkarte und Lesegerätnach ISO 7816. Von den erforderlichen Verbindungen der Chipkartenkontakte 1 undLesegerätkontakten 2 istnur die Verbindung für dasDatensignal I/O zwischen den Kontakten C7 gezeigt. Über dieseVerbindung werden Informationen zwischen Chipkarte und Lesegerät in digitalerForm, Bit fürBit, ausgetauscht. Da es nur eine Leitung gibt, sendet entwederdas Lesegerätund die Chipkarte empfängtoder die Chipkarte sendet und das Lesegerät empfängt. Diese Art der Datenübertragungist als serielle Halb-Duplex-Kommunikation bekannt. Die vom Chipkarten-Prozessorbyteweise verarbeiteten Daten müssenin einen bit-seriellen Datenstrom umgewandelt werden. Jedes Bytewird in seine acht Einzelbit aufgetrennt, diese werden dann nacheinander über dieLeitung gesendet.
[0005] DieDauer eines solchen Datenbits wird durch einen Teiler festgelegt,der definiert, wie viele Takte ein Datenbit dauert. Da Chipkartenkeinen eigenen Takt haben, benutzt man den extern angelegten TaktCLK des Lesegeräts.Damit ist die Datenübertragungsratedirekt proportional zum externen Takt CLK und dem Teiler. Mit zunehmenderFunktionalitätder Chipkarten wächstauch das zwischen Chipkarte und Lesegerät zu übertragende Datenvolumen. Umdie Datenübertragungsgeschwindigkeit zumaximieren, werden in letzter Zeit immer kleinere Teiler und immerhöhereFrequenzen eingesetzt. Bei einer maximalen Taktfrequenz von 10 MHzund einem minimalen Teiler von 32, erhält man die derzeitige Obergrenzeder Datenübertragungsratevon 10 MHz/32 = 312,5 kbit/sec.
[0006] Beidiesen hohen Datenübertragungsraten wirddie Zeit, die dem Betriebssystem der Chipkarte zum Steuern von Sendenund Empfangen und zur Weiterverarbeitung von Daten zur Verfügung steht immerkürzer.Um das Betriebssystem und den Chipkartenmikroprozessor zu entlasten,wird der Datenaustausch zunehmend von spezieller Hardware für die Datenübertragungunterstützt.Mit Hilfe eines Schnittstellenbausteins, dem so genannten UART (UniversalAsynchronous Receiver Transmitter), lassen sich die Datenübertragungsratenunabhängig vonder Chipkarten-Prozessorleistung erhöhen und der Aufwand an Softwarefür denDatenaustausch reduzieren.
[0007] DieKommunikation zwischen Lesegerätund Chipkarte nach ISO 7816 wird vom Lesegerät gesteuert. Nachdem die Chipkartein das Lesegeräteingeführtund die Lesegerätkontakte 1 mitden Chipkartenkontakten 2 verbunden sind, werden die Kontakte ineiner vorgegebenen Reihenfolge elektrisch aktiviert. Die Chipkarteführt daraufhinautomatisch einen Power-On-Reset aus und sendet eine Answer-to-Reset(ATR) Nachricht zum Lesegerät.Dieser ATR enthältverschiedene Informationen überden Chipkartenfunktionsumfang und die Datenübertragungsparameter bzw. Übertragungsprotokolle.Nachdem der ATR vom Lesegerätausgewertet worden ist, kann das Lesegerät noch optional ein Protocol-Type-Selection(PTS) Kommando an die Chipkarte sen den, mit dem die Parameter des Übertragungsprotokolls derChipkarte eingestellt werden können.
[0008] NachAufbau der Datenübertragungsschnittstelle,kann das LesegerätBefehle an die Chipkarte senden. Die Chipkarte bearbeitet den Befehlund schickt eine Antwort an das Lesegerät. Dieses sendet den nächsten Befehl,der entsprechend dem Master-Slave-Prinzip in ähnlicher Weise bearbeitet wird.Die Kommunikation, bei der das Lesegerät der Master ist und die Chipkarteder Slave, setzt sich fort, bis die Verbindung abgebaut wird.
[0009] DerDatenaustausch zwischen Chipkarte und Lesegerät findet nach ISO 7816 über eineserielle Schnittstelle im dem Halb-Duplex Verfahren statt, wobei die maximaleDatenübertragungsrate312,5 kbit/sec beträgt.War diese Datenübertragungsrate früher ausreichend,so erweist sie sich mit zunehmender Speicher- und Prozessorleistungals Engpass in der Kommunikation zwischen Chipkarte und Lesegerät. Wirdder Datenaustausch nur von der Software des Betriebssystems gesteuert,so setzt hier die Prozessorgeschwindigkeit zusätzliche Grenzen, so dass diemaximale Datenübertragungsrate nurdurch Einsatz eines UARTs erreicht werden kann. Um eine noch höhere Übertragungsgeschwindigkeit zuerreichen, arbeitet man an Standardisierungsbemühungen, die vorsehen, den Teilerfaktornoch weiter zu verringern und die Taktfrequenz zu erhöhen. Auchinterne Taktvervielfachung wird als Lösung in Betracht gezogen. Einganz anderer Ansatz sieht vor, eine zusätzliche Schnittstelle, wiez.B. USB (Universal Serial Bus) einzusetzen, der eine höhere Datenübertragungsratevon 1,5 Mbit/sec bis 12 Mbit/sec aufweist ( US 6 439 464 B1 ). Nachteiligist bei dieser Lösungallerdings, dass nicht nur eine zusätzliche Schnittstelle benötigt wird,sondern auch noch ein zusätzlichesProtokoll zum Übertragender Daten. Die gesamte Hard- und Software zur Datensteuerung mussentsprechend erweitert werden.
[0010] DerErfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Datenübertragungsratezwischen Chipkarte und Lesegerätzu erhöhen.
[0011] DieAufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dassdie Datenübertragungsschnittstellezum Datenaustausch zwischen der Chipkarte und dem Lesegerät eine variableAnzahl von Kanälenaufweist und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Datenübertragungsschnittstelleangegeben werden.
[0012] VorteilhafteWeiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den abhängigen Patentansprüchen angegebenenMerkmalen.
[0013] Vorteilhafterweiseweist die Datenübertragungsschnittstellemindests zwei Kanäleauf. Auf diese Weise kann die vorhandene Hardware optimal für eine Maximierungder Datenübertragungsrateausgenutzt werden.
[0014] Beieiner weiteren Ausführungsformder Erfindung wird die Anzahl der Kanäle der Datenübertragungsschnittstelledurch die zu übertragendeDatenrate bestimmt. Darüberhinaus kann die Anzahl der parallelen Kanäle für die Datenübertragungsschnittstelle durchdie im Lesegerätund in der Chipkarte vorhandene Hardware bestimmt werden.
[0015] EineWeiterbildung der erfindungsgemäßen Datenübertragungsschnittstellesieht vor, einen Teil der vorhandenen parallelen Kanäle gleichzeitigzum Übertragenvon Daten in verschiedene Richtungen zu benutzen. Dies hat den Vorteil,dass eine Datenübertragungim Full-Duplex Modus stattfinden kann.
[0016] Ineiner bevorzugten Ausführungsvariante weistdie DatenübertragungsschnittstelleEigenschaften nach der ISO-Norm ISO7816 auf. Durch dieses Merkmalwird die Kompatibilitätzur vorhandenen Lesegerätinfrastruktursichergestellt.
[0017] Vorteilhafterweiseweist die Datenübertragungsschnittstelleeine spezielle Kommunikationseinheit auf. Durch diese kann die Datenübertragung beschleunigtwerden.
[0018] DieErfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungennäher erläutert.
[0019] 1 zeigtdie Kontakte einer Schnittstelle nach ISO 7816.
[0020] 2 zeigtdie serielle Datenübertragung zwischenChipkarte und Lesegerätnach ISO 7816.
[0021] 3 zeigteine möglicheAusführungsvarianteder erfindungsgemäßen Datenübertragungsschnittstellezum Datenaustausch zwischen einer Chipkarte und einem Lesegerät.
[0022] 4 zeigteine möglicheAusführungsform zurAufbereitung von Daten in einen UART für den Datenaustausch über dieerfindungsgemäße Datenübertragungsschnittstelle.
[0023] 5 zeigteinen möglichenAblauf zum Aufbau der Datenübertragungsschnittstellefür denDatenaustausch zwischen Lesegerätund Chipkarte.
[0024] 3 zeigteine Ausführungsformder Datenübertragungsschnittstelle.Gezeigt sind, wie in 2, die Chipkartenkontakte 1 unddie Lesegerätkontakte 2.Für dieErfindung wesentlich ist, dass für dieDatenübertragungneben der Verbin dung über denDatensignalkontakt C7 noch zusätzlichdie drei Kontakte C4, C6 und C8 der Chipkarte mit denen des Lesegeräts verbundensind. Anstelle nur einer seriellen Leitung verfügt man nun über vier parallele Leitungen.Auf diese Weise kann die maximale Datenübertragungsrate um den Faktorvier erhöhtwerden. Bei einer Taktfrequenz von 10 MHz und einem Teiler von 32erreicht man so eine Übertragungsgeschwindigkeitvon 1,25 Mbit/s.
[0025] DasKontaktpaar C7 wird wie zuvor zur Datenübertragung eingesetzt. DieVerwendung der Kontaktpaare C4 und C8 ist nach ISO 7816 nicht festgelegt,die Kontaktpaare könnendaher ebenfalls für dieDatenübertragungeingesetzt werden. Die Kontaktpaare C6 wurden von der ersten Generationvon Chipkarten benötigt,um die bei der Programmierung des EPROMs erforderlichen hohe Ströme und Spannungenvom Lesegerätauf die Chipkarte zu übertragen.Die heute eingesetzten EEPROMs lassen sich jedoch im Gegensatz zuden EPROMs durch eine Spannung, die auf dem Chip durch eine Ladungspumpeerzeugt wird, programmieren. Die Kontakte C6 werden daher nichtmehr benutzt und können ebenfallszur Datenübertragungeingesetzt werden.
[0026] 4 zeigteine weitere Ausgestaltung der Ausführungsform auf Seite der Chipkarte.Es ist ein UART vorgesehen, der eine Empfangs- und Sendeeinheitdarstellt, die die Datenübertragungsteuert und dadurch den Chipkarten-Prozessor entlastet. Daten, diebitweise überdie serielle Schnittstelle von Kontakt C7 zum UART übertragenwerden, werden dort zu Bytes oder Datenblöcken zusammengefasst und dannan die CPU übertragen.
[0027] Nichtnur der Kontakt C7 (durchgezogene Linie), sondern auch noch dieKontakte C4, C6 und C8 (gestrichelte Linien) sind mit dem UART verbunden. Über eineAuswahlschaltung 3 wird be stimmt, wie viele dieser Kontaktean die Umsetzeinheit 4 weitergeleitet werden. Die zu übertragenenDatenbits könnensomit der Umsetzeinheit 4 parallel zugeführt werden.In dieser werden sie parallel verarbeitet und zusammengefasst alsBytes oder Datenblöckean den Chipkarten-Prozessor CPU weitergeleitet. Von großem Vorteilbei dieser Anordnung ist, dass weder Hardware noch Software desChipkarten-Prozessors CPU geändertwerden muss. Die einzige notwendige Änderung erfolgt im UART. Anstelle,dass die Daten Bit fürBit zu Bytes oder Datenblöckenzusammengefasst werden, werden sie jetzt parallel vom UART empfangenund weiterverarbeitet.
[0028] DieAnzahl der fürdie parallele Datenübertragungeingesetzten Kanäleist somit variabel. Wird nur ein Kanal eingesetzt, so besteht volleKompatibilitätzum ISO 7816 Standard. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenneiner der beiden Schnittstellenteilnehmer, das Lesegerät oder dieChipkarte, eine parallele Datenübertragungnicht unterstützen.Die gesamte Datenübertragungfindet dann wie gehabt überden Kontakt C7 statt. Bei einer Chipkarte mit nur 6 Kontakten, stehendie Kontakte C4 und C8 fürdie Datenübertragungnicht zur Verfügung.Trotzdem gelingt es, zwei Kanälezur Datenübertragungaufzubauen, indem man zu dem bekannten Kontakt C7 noch den KontaktC6 fürdie Programmierspannung benutzt. Eine parallele Datenübertragungmit drei oder vier Kanälenist erst bei Chipkarten mit acht Kontakten möglich. Es ist hier vorgesehen,die Anzahl der eingesetzten Kanäleabhängigvon der zur Verfügungstehenden Hardware im Lesegerätund in der Chipkarte auszuwählen.Dies kann automatisch währendder Answer-To-Reset(ATR) und gegebenenfalls der Protocol-Type-Selection (PTS) Phaseerfolgen.
[0029] Damehrere Kanälefür dieDatenübertragungzur Verfügungstehen, ist man auch nicht mehr an das Halb-Duplex-Protokoll gebunden.Vielmehr kann man bestimmen, wie viele Kanäle in welche Richtung Daten übertragensollen. So könnenz. B. alle vier Kanäleeingesetzt werden, um Daten vom Lesegerät zur Chipkarte zu übertragen.Auch ist es möglich,Daten gleichzeitig zwischen Lesegerät und Chipkarte auszutauschen.Für diesenFull-Duplex-Betrieb kann man die Kanäle gleichmäßig aufteilen. Bei insgesamtvier Kanälenkönnenzwei Kanäle für die Datenübertragungvom Lesegerätzur Chipkarte eingesetzt werden und wieder zwei Kanäle für die Datenübertragungvon der Chipkarte zum Lesegerät.Neben dieser gleichmäßigen Aufteilungist es auch denkbar, dass z. B. nur ein Kanal für die Datenübertragung vom Lesegerät zur Chipkarteund drei Kanälefür dieDatenübertragungvon der Chipkarte zum Lesegeräteingesetzt werden. Diese Konstellation ist einem asymmetrischenDSL-Anschluss mit unterschiedlichen Uplink- und Downlink-Übertragungsraten ähnlich.Stehen nur zwei Kanälezur Verfügung, wiez. B. bei einer Chipkarte mit nur sechs Kontakten, so können dieKanäleparallel im Halb-Duplex-Betrieb eingesetzt oder einzeln für eine Full-Duplex-Übertragungbenutzt werden. Die Auswahl der Anzahl der Kanäle insgesamt und wie vielein welche Richtung eingesetzt werden, kann vom UART in Abhängigkeitder auszuführendenBefehle und dem damit verbundenen Datenaustausch vorgenommen werden.
[0030] 5 zeigtein Ablaufdiagramm der einzelnen Schnitte zum Aufbau einer Datenübertragungsschnittstellezwischen einem Lesegerätund einer Chipkarte. Die ersten drei Schritte im Ablaufdiagrammentsprechen der üblichenVorgehensweise und erfolgen nach dem ISO 7816 Standard. Zuerst schicktdas Lesegeräteinen Einschalt- und Reset-Befehl an die Chipkarte. Die Chipkartereagiert darauf mit einem Answer-to-Reset (ATR).
[0031] DieserAnswer-to-Reset enthältdabei die Parameter fürdie Datenübertragung,die in der Chipkarte gespeichert sind. Daraufhin schickt das Lesegerät einenProtokoll-Type-Selection-Befehl(PTS) an die Chipkarte. Überden PTS-Befehl wird eine Änderungvon Datenübertragungsprotokollparametern beantragt.Abhängigvon der im Lesegerätund in der Chipkarte vorhandenen Hardware wird entschieden, ob eineparallele Datenübertragungmöglichist. Ist die Chipkarte oder das Lesegerät nicht dafür ausgelegt, so findet eineserielle Kommunikation nach dem ISO-Standard 7816 statt, bei derdie Daten Bit fürBit seriell übertragenwerden. Zeigt das anhand der vorhandenen Hardware ausgehandelteProtokoll, dass eine parallele Datenübertragung zwischen Chipkarte undLesegerätmöglichist, folgt im nächstenSchritt eine Festlegung der Anzahl der Kanäle, die parallel benutzt werdensollen. Diese Auswahl kann z.B. abhängig von den zu übertragendenDatenvolumen erfolgen. Im nächstenSchritt wird bestimmt, wie viele der Kanäle für die Datenübertragung von der Chipkartezum Lesegerätund wie viele fürdie Datenübertragungvom Lesegerätzur Chipkarte eingesetzt werden. Sollen z. B. große Datenmengenaus der Chipkarte ausgelesen werden, so ist es sinnvoll, für diesenKanal mehrere Kanälezusammenzubündeln. Aufdiese Weise ist es möglich,die Datenübertragungzwischen Lesegerätund Chipkarte der jeweiligen Situation und Anforderung entsprechendzu optimieren. Nachdem die Datenschnittstelle aufgebaut ist, werdendie Daten übertragen.Bei Beendigung der Kommunikation wird die Datenschnittstelle wiederabgebaut. Durch die Wahlmöglichkeit,ob eine serielle oder parallele Schnittstelle aufgebaut werden soll,ist es möglich,in einer heterogenen Lesegerätweltkompatible und schnelle Datenübertragungen durchzuführen.
[0032] Dievorhergehende Beschreibung der Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegendenErfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zweckeder Beschränkungder Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungenund Modifikationen möglich,ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.
1 Chipkartenkontakte 2 Lesegerätkontakte 3 Auswahlschaltung 4 Umsetzeinheit C1 VersorgungsspannungVDD C2 RücksetzsignalRST C3 TaktsignalCLK C4 Kontaktfür zukünftige AnwendungRFU C5 MasseGND C6 ProgrammierspannungVPP C7 DatensignalI/O C8 Kontaktfür zukünftige AnwendungRFU CPU Mikroprozessorauf Chipkarte UART universalerasynchroner Sende- und Empfangsbaustein

权利要求:
Claims (13)
[1] Datenübertragungsschnittstellezum Datenaustausch zwischen einem Lesegerät und einer Chipkarte, dadurchgekennzeichnet, dass die Datenübertragungsschnittstelle einevariable Anzahl von Kanälenaufweist.
[2] Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die Datenübertragungsschnittstellemindestens 2 Kanäleaufweist.
[3] Vorrichtung nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurchgekennzeichnet, dass die Anzahl der Kanäle für die Datenübertragung durch die zu übertragende Datenübertragungsratebestimmt wird.
[4] Vorrichtung nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurchgekennzeichnet, dass die Anzahl der Kanäle für die Datenübertragung durch die im Lesegerät und derChipkarte vorhandene Hardware bestimmt wird.
[5] Vorrichtung nach einem der vorigen Patentansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass ein Teil der vorhandenen Kanäle zur Datenübertragungvom Lesegerätzur Chipkarte und der andere Teil zur gleichzeitigen Datenübertragungvon der Chipkarte zum Lesegerätgenutzt wird.
[6] Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die Datenübertragungnach der ISO 7816 Norm erfolgt.
[7] Vorrichtung nach einem der vorigen Patentansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass die Datenübertragungsschnittstelleeine Kommunikationseinheit (UART) aufweist.
[8] Verfahren zum Datenaustausch über eine Datenübertragungsschnittstelle,dadurch gekennzeichnet, dass die Datenübertragung über eine variable Anzahl vonKanälenerfolgt.
[9] Verfahren nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet,dass die Anzahl der Kanäleder Datenübertragungsschnittstellein Abhängigkeitder vorhandenen Hardware der am Datenaustausch beteiligten Teilnehmerbestimmt wird.
[10] Verfahren nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet,dass die Anzahl der Kanäleder Datenübertragungsschnittstellein Abhängigkeitder zu übertragendenDaten bestimmt wird.
[11] Verfahren nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet,dass die Anzahl der Kanäleder Datenübertragungsschnittstelleabhängigvon einer Datenmenge bestimmt wird.
[12] Verfahren nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet,dass die Anzahl der Kanäleder Datenübertragungsschnittstelleabhängigvon der Datenübertragungsrichtungbestimmt wird.
[13] Verfahren nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet,dass die Anzahl der Kanäleder Datenübertragungsschnittstelleabhängigvon einer Datenübertragungsratebestimmt wird.

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