SIM卡与ME的协议交互过程.docx
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SIM卡与ME的协议交互过程
SIM卡与ME的协议交互过程
责任人：
设计开发部文小明
报告提交日期：
2005-4-30
1前言
本报告完成的是“Elvis智能拨测设备”项目中的一个任务，目的是探讨怎样用单片机来模拟SIM卡的部分功能（使设备能登陆到GSM网络即可）。
报告主要参考了GSM11.11version5.5.0和GSM11.12version5.0.0规范，并同时参考了ISO7816-1,2,3规范中的相关内容。
2缩写和符号的说明
ACCAccessControlClass接入控制类别
ADAdministrativeData管理数据
APDUApplicationProtocolDataUnit应用协议数据单元
ATRAnswertoReset复位应答
BCCHBroadcastControlChannel广播控制信道
CBMIDCellBroadcastMessageIdentifierforDataDownload用于下载的小区广播信息标识
CHVCardHolderVerificationinformation卡支持器检验信息
DFDedicatedFile专用文件
EFElementaryFile基本文件
etuElementaryTimeUnit基本时间单元
FPLMNForbiddenPLMN禁止登陆的PLMN
GSMGlobalSystemforMobileCommunications全球移动通信系统
HPLMNHomePLMN归属PLMN
ICCIDIntegratedCircuitsCardIdentifier智能卡标识
IMSIInternationalMobileSubscriberIdentity国际移动用户识别码
KcCipheringkey密码本
Ki用户鉴权码
LOCILocationInformation位置信息
LPLanguagePreference语言选择
MEMobileEquipment移动设备，包括各种的GSM模块
MFMasterFile主文件
PLMNPublicLandMobileNetwork公众陆地移动电话网
PTSProtocolTypeSelection协议类型选择
SIMSubscriberIdentityModule用户识别模块
SSTSIMServiceTableSIM卡服务表
SRESSignedRESponse符号响应，鉴权的计算结果
‘XX’用单引号表示十六进制数，如’90’表示十六进制数Ox90
VOH最大输出电压，其他类似符号可类推
tRtF脉冲的上升时间和下降时间
3物理层上与项目相关的一些规范
SIM卡是智能卡的一种，除非在GSM应用中有特殊规定，否则应该符合智能卡的一般规范，即ISO7816-1,2,3。
本节介绍了SIM卡的规格以及SIM卡上触点的功能分配和电气特性。
3.1SIM卡的两种规格
早期使用的SIM属于ID-1型号，如卡片般大小。
近期使用的SIM一般属于Plug-in型号，尺寸是25mm×15mm。
Plug-in型号的SIM可以由ID-1SIM切去多余的塑料片后得到。
3.2SIM卡的触点分配
各触点在SIM上的位置可以参考ISO7816-2，下表是各个触点的编号以及功能分配。
触点编号
分配
触点编号
分配
C1
电源电压Vcc
C5
接地GND
C2
复位RST
C6
编程电压Vpp
C3
时钟CLK
C7
输入/输出I/O
C4
保留
C8
保留
表3.2.1SIM卡的触点分配
3.3SIM卡触点的电气特性
3.3.1电源电压Vcc
据GSM11.11规定，SIM卡应该工作在如下表所示的电压范围内。
符号
最小值
最大值
单位
Vcc
4,5
5,5
V
Icc
10
mA
注：
Icc是Vcc上的电流，下面相关定义与此同
表3.3.1.1+5V供电下Vcc的电气特性
另外，据GSM11.12补充规定，GSMPhase2的SIM卡应该同时支持+5V和+3V供电电压。
在+3V供电时SIM卡的工作范围如下：
符号
最小值
最大值
单位
Vcc
2.7
3.3
V
Icc
6
mA
表3.3.1.2+3V供电下Vcc的电气特性
支持+3V和+5V供电技术的ME会先用+5V给SIM卡供电。
如果SIM卡在相关的信息位上置1表明支持+3V供电技术（详见SELECT命令的编码规定），ME就可以切换到+3V供电。
但是如果ME只支持+3V供电，它会拒绝只支持+5V供电的SIM卡（详见GSM11.12的规定）。
下面各个触点的电气参数均是在+3V供电时给出的，+5V供电的情况请参考GSM11.11。
3.3.2复位RST
ME会用如下参数范围内的RST信号去复位SIM卡。
符号
条件
最小值
最大值
单位
VOH
IOHmax=+20µA
0.8xVcc
Vcc
V
VOL
IOLmax=-200µA
0
0.2xVcc
V
tRtF
Cin=Cout=30pF
400
µs
表3.3.2.1RST的电气特性
SIM卡详细的复位和复位应答过程（ATR）见4.2.3节
3.3.3编程电压Vpp
SIM卡不使用Vpp。
3.3.4时钟CLK
SIM卡应该使用在CLK上提供的1到5MHz的外部时钟，不应使用自己的内部时钟。
CLK信号的电气特性如下。
符号
条件
最小值
最大值
单位
VOH
IOHmax=+20µA
0.7xVcc
Vcc
V
VOL
IOLmax=-20µA
0
0.2xVcc
V
tRtF
Cin=Cout=30pF
50
ns
表3.3.4.1CLK的电气特性
另外如果SIM卡在鉴权或执行ENVELOPE命令的过程中需要使用13/4MHz的时钟，应该在相关的信息位上置1来表示（详见SELECT命令的编码规定）。
GSMPhase2的SIM卡应该支持“时钟停止模式”，并在相关的信息位上置1来表示（详见SELECT命令的编码规定）。
在此模式下ME会在启动时钟后经过最少744个时钟周期才会发出第一条命令，并在接收最后一位应答字符后经过最少1860个时钟周期才会关闭时钟。
3.3.5输入/输出I/O
这个触点是SIM卡与ME之间通信的唯一通道。
它支持半双工串行通信，有发送和接收两种状态，并且应该在不传输数据时置为接收状态。
它的电气特性如下。
符号
条件
最小值
最大值
单位
VIH
IIHmax=±20µA
0.7xVcc
Vcc+0.3
V
VIL
IILmax=+1mA
-0.3
0.2xVcc
V
VOH
IOHmax=+20µA
0.7xVcc
Vcc
V
VOL
IOLmax=-1mA
0
0.4
V
tRtF
Cin=Cout=30pF
1
µs
表3.3.5.1I/O的电气特性
4数据链路层上SIM卡与ME的通信
ME和SIM卡之间的对话应按如下顺序操作：
♦SIM卡的连接和激活
♦SIM卡的复位
♦SIM卡与ME之间命令-响应过程
♦SIM卡的释放
4.1SIM卡的连接和激活
正确连接ME和SIM卡后（请参阅ME的说明），ME按如下顺序激活SIM卡：
♦置RST为低电平
♦给Vcc供电
♦ME和SIM卡的I/O口均置为接收状态
♦CLK上有稳定的时钟信号
4.2SIM卡的复位
在激活SIM卡后，ME会冷复位或热复位SIM卡。
随后，SIM卡应该复位内部数据并且发起ATR过程。
而ME根据ATR的信息，有可能发起PTS过程来进一步商议通信协议和波特率。
这些过程正常结束后，ME和SIM卡就可以开始各种命令-响应过程。
4.2.1SIM卡的冷复位
正确连接和激活SIM卡后，ME就会立刻对SIM卡进行冷复位，复位信号的时序如下图示：
注：
SIM卡应当在RST被拉高后400到40000个时钟周期内（t1）发起ATR过程。
T0与T1之间间隔40000个时钟周期。
图4.2.1.1SIM卡的冷复位
4.2.2SIM卡的热复位
ME可在SIM卡被激活后的任何时间里随时对SIM卡进行复位，这称为热复位。
热复位时，RST会先被拉低40000个时钟周期，然后再被拉高。
SIM卡的应答则跟冷复位相同。
热复位过程如下图示：
注：
SIM卡应当在RST被拉高后400到40000个时钟周期内（t1）发起ATR过程。
T0与T1之间间隔40000个时钟周期。
图4.2.2.1SIM卡的热复位
4.2.3字符帧传输
SIM卡与ME之间使用I/O进行半双工串行通信（一般是异步的）。
I/O口上的信息被打包为字符帧来传输，这种字符帧是SIM卡与ME之间通信的基础，在随后的ATR过程，PTS过程和命令-响应过程中同样要使用。
4.2.3.1字符帧的结构
字符帧一共有10位，它的结构如下图示：
注:
S是开始位，低电平。
Bi是第i字节的8位有效数据。
到底是字节中的低位还是高位先传输见4.2.4.1。
C是偶奇偶校验位，它可以通过将Bi的每一逻辑位进行异或求得。
P是保护时间，一般设定为2位
图4.2.3.1.1字符帧的结构
4.2.3.2字符帧的时序
字符帧内每一位所持续的时间定义为基本时间单元（etu），它依赖于时钟频率（f），时钟转换因子（F）和比特调整因子（D）。
有如下计算公式：
1etu=F/（D*f）秒
另外，保护时间P一般为2etu，如果有特殊需要，可以设定额外保护时间（N），那么保护时间P有如下计算公式：
P=2+Netu
参数F，D和N可以在ATR和PTS过程中由SIM和ME商议确定。
在没有商定前，使用如下默认值：
F=372；D=1；N=0
4.2.3.3字符帧的差错控制
ISO7816-3规定了字符帧差错控制的机制，主要是错误检测和字符重发。
需要时请参阅。
4.2.4ATR过程
ATR是英文AnswertoReset的缩写，即复位应答。
ATR过程使用默认参数F=372；D=1；N=0，etu=372/f秒。
例如若CLK上是3.579MHz的时钟，那么etu=372/3.579MHz，此时波特率=1/etu=9600bps。
ATR过程包含如下信息：
传输协议的类型，控制参数和识别信息。
ATR过程由一系列字符组成，应该遵循如下所示的格式：
_________________________________________________________
||||||||||||||||
|TS|T0|TA1|TB1|TC1|TD1|TA2|TB2|TC2|TD2|.........|T1|...|TK|TCK|
|___|____|____|____|____|____|____|____|____|____|__|___|__|___|___|
注：
TS：
初始字符（必须传输）
TO：
格式字符[含参数Y1和K]（必须传输）
TAi：
接口字符[含参数FI,DI]（可选传输）
TBi：
接口字符[含参数I1,PI1]（可选传输）
TCi：
接口字符[含参数N]（可选传输）
TDi：
接口字符[含参数Yi+1,T]（可选传输）
T1,...,TK：
历史字符（K小于等于15）（可选传输）
TCK：
奇偶校验字符（是否传输视情况而定）
图4.2.4.1ATR过程的格式
4.2.4.1初始字符TS
TS后的字符要传输的8位有效数据Bi（见4.2.3.1），先作如下约定：
数据是|b7|b6|b5|b4|b3|b2|b1|b0|，那么b7是高位，b0是低位。
b7-b4是高半字节，b3-b0是低半字节。
如何将这一个字节的数据装入字符帧呢？
这就要看TS规定了哪一种协议。
初始字符TS定义了其后字符编码的两种协议：
正向协议（DirectConvention）和反向协议（InverseConvention）。
♦正向协议。
在I/O线上，高电平代表逻辑1（正逻辑），并且低位b0首先被传输。
这时TS字符帧设为：
L-HHLHHHLL-H。
在正向协议下TS的编码为’3B’。
♦反向协议。
在I/O线上，低电平代表逻辑1（负逻辑），并且高位b7首先被传输。
这时TS字符帧设为：
L-HHLLLLLL-H。
在反向协议下TS的编码为’3F’。
ME能支持上面的任何一种协议。
4.2.4.2格式字符T0
T0的8位有效数据被分成两部分。
高半字节代表参数Y1，它用每一位的逻辑1来表示其后TA1，TB1，TC1和TD1是否被传输，对应关系如下：
b4TA1；b5TB1；b6TC1；b7TD1
低半字节代表参数K,它是一个4位二进制数，取值从0到15。
它代表了将要传输的历史字符T1，T2，…TK的数目。
4.2.4.2接口字符TA1
它的高半字节代表参数FI，低半字节代表参数DI。
它们是用来表示SIM卡能支持的时钟转换因子F和比特调整因子D，还表示了SIM卡能支持的最高时钟频率f。
它们的对应关系如下：
图4.2.4.2.1接口字符TA1的意义
GSMPhase2的SIM卡和ME除了支持F=372，D=1外还应该支持F=512，D=8。
GSM11.11规定，如果TA1不等于’11’,那么ME就会启动PTS过程。
4.2.4.3接口字符TB1，TB2
TB1，TB2。
这两个字符主要是对编程电压Vpp和编程电流Ipp的要求进行编码。
因为SIM卡不应该需要使用编程电压Vpp，GSM11.11规定：
TB1=’00’；TB2不予传输。
如果TB1不等于’00’，那么ME设备会拒绝SIM卡。
4.2.4.4接口字符TC1
TC1上的8位有效数据是一个8位二进制数，取值从0到255。
它代表了额外保护时间N（见4.2.3.2）的值，GSM11.11规定，N=0或255，否则SIM卡会被拒绝。
而当N=255时，表示接收和发送时的保护时间是相同的，都是2etu（即额外保护时间N=0）。
如果SIM卡没有发送TA1，TB1，TC1那么ME就会使用默认值：
F=372；D=1；N=0
4.2.4.5接口字符TD1
这个字符的高半字节表示Y2，它的含义与T0字符中的Y1类似，表示其后TA2，TB2，TC2和TD2是否被传输。
低半字节表示协议类型T，它是一个四位二进制数，取值从0到15。
最常用的传输协议如下：
♦T=0表示异步半双工字符传输协议
♦T=1表示异步半双工块传输协议
ME与SIM卡的通信，一般使用T=0协议，其字符帧结构和时序和4.2.3节描述的一样。
如果TD1没有被传输，那么默认使用T=0协议。
如果SIM卡除了支持T=0协议，还支持其他协议，那么在TD1字符，也应该优先表明
支持T=0协议，再在后面TD2，TD3表示支持其他协议。
TD1表示的协议会作为默认的协议使用。
4.2.4.6接口字符TA2
这个字符主要用来指明是否使用专用模式，详见ISO7816-3。
SIM卡与ME通信一般使用协商模式，不需要传输这个字符。
4.2.4.7接口字符TC2
这个字符用于在T=0协议下指明工作等待时间整型参数（WI），取值从0到255。
工作等待时间（W）是指从SIM卡发出的任何一个字符的开始上升沿和从ME或SIM卡发出的前一个字符的开始上升沿之间的最大延迟时间。
有如下计算公式：
W=960xDxWI（etu）
如果不传输TC2，而使用WI的默认值10。
4.2.4.8其他接口字符
余下的一些接口字符一般在T=1协议下使用，在此不再详述。
4.2.4.9历史字符T1-TK
这些字符主要用于表示SIM卡的标识等文本信息，在此不再详述。
4.2.4.10校验字符TCK
TCK的值等于从字符T0到TK的作异或运算后的值。
如果SIM卡在ATR过程中表示只支持T=0协议，则不需要传输TCK。
4.2.5ATR过程的一个实例
名称值意义
TS3B正逻辑；低位b0先传输
T0F0接下来传输TA1，TB1，TC1，TD1；无历史字符
TA194F=512，D=8，1etu=64个时钟周期，最大时钟频率5MHz
TB100不需使用编程电压Vpp
TC100不需额外保护时间
TD140接下来传输TC2；使用T=0协议
TC2FF使用最大工作等待时间（大于250,000个etus）
4.2.6PTS过程
在协商模式下，ATR过程默认使用的参数F=372，D=1和TD1所表明的协议将会一直使用下去，直到一个成功的PTS过程完成。
GSM11.11规定，如果TA1不等于’11’，那么ME就会发起PTS过程。
PTS过程包括ME的PTS请求和SIM卡的PTS应答。
在GSM应用中，它们一般都由以下4个字符组成。
如下图示：
PTSS初始字符总为’FF’
|
PTS0格式字符高4位分别表示后面字符的存在，低半字节表示协议类型T
|
PTS1参数字符高半字节代表FI，低半字节代表DI（应与TA1匹配）
|
PCK校验字符PTSS，PTS0和PTS1作异或运算
图4.2.6.1PTS过程
如果SIM卡一直不响应PTS请求,则ME就会一直使用默认值F=372,D=1,N=0和协议T=0。
4.2.7PTS过程的一个实例
╔══╗复位╔═══╗
║ME║──────────────────────────-──────────────>║SIM║
╚══╝╚═══╝
ATR
<───────────────────────────────────────TA1='94'
┌─────┬────┐
│PTSS=│'FF'│PTS请求
│PTS0=│'10'├─────────────────────────────>
│PTS1=│'94'│
│PCK=│'7B'│
└─────┴────┘
┌─────┬────┐
PTS响应│PTSS=│'FF'│
<────────────────────────┤PTS0=│'10'│
│PTS1=│'94'│
│PCK=│'7B'│
└─────┴────┘
图4.2.3.5.1提速到F=512，D=8的PTS过程
4.3SIM卡与ME之间命令-响应过程
SIM卡在复位，ATR过程，PTS过程正常结束后就可以正式接受ME的各种命令，并对其作出响应。
命令和响应都是用应用协议数据单元（APDU）来承载的。
APDU应该使用Ｔ=0协议来传输，它分为命令APDU和响应APDU。
命令APDU从ME发出，由5个字符的报头组成，有时还带有数据，格式如下：
|CLA|INS|P1|P2|P3|DATA1|
注：
CLA 是命令类别，在GSM应用中固定使用’A0’
INS是命令代码,视不同的命令而定
Ｐ１，Ｐ２ 是命令参数，视不同的命令而定
Ｐ３ 是数据长度 表示命令期间传输数据字符的数目（可以是ME向SIM输入数据的长度DATA1，也可以是SIM向ME返回的数据的长度DATA2）。
当数据从SIM卡发出时，Ｐ３=’00’代表数据长度为２５６个字符。
当数据从ME发出时，Ｐ３=’00’代表无数据传输。
图4.3.1.命令APDU的格式
响应APDU从SIM卡发出，包含两个字符的报尾，有时之前还带有数据，格式如下：
|DATA2|SW1|SW2|
注：
SW1，SW2是状态字，表示命令是否成功执行
SW1，SW2=’90’，’00’表示命令正常结束
SW1，SW2=’91’，’XX’表示SIM卡要传送命令给ME
SW1，SW2=’9F’，’XX’表示有XX长度的响应数据
SW1，SW2=’94’，’04’表示找不到文件，或参数错误
SW1，SW2=’6D’，’00’表示不明指令
其它一些编码请参阅GSM11.11的第9章
图4.3.2响应APDU的格式
为了更好的控制APDU的时序，ISO7816-3规定APDU是“分节”传输的。
ME首先发送5个字节的命令头（CLA，INS，P1，P2，P3），然后等待SIM回应一个字节的响应（通常就是APDU中的INS字节）。
SIM卡回应的这个字节的意义如下表：
定义
值
ME的动作
ACK
INS
ME将发送所有剩余的数据或者ME将准备接收SIM卡发送的所有数据。
ACK
INS取反
ME将发送下一个字节的数据或者ME将准备接收SIM卡发送的下一个字节的数据。
NULL
0x60
ME延长一个工作等待时间
SW1
0x6x或0x9x
ME接收下一个状态字SW2
表4.3.1SIM卡的响应字节
综上，下图列举了ME和SIM命令响应过程的4种情况：
情况1：
命令+命令数据
_______________________________________________________________________________
|CLA|INS|P1|P2|P3|INS|DATA|SW1|SW2|
情况2：
只有命令
_______________________________________________________________________________
|CLA|INS|P1|P2|00|SW1|SW2|
情况3：
命令+响应数据（ME已知其长度）
_______________________________________________________________________________
|CLA|INS|P1|P2|P3|INS|DATA|SW1|SW2|
情况4：
命令+命令数据+响应数据
___________
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