能卡芯片在 SIM 贴膜卡中的应用

上海华虹集成电路有限责任公司 董琪

【摘要】 随着移动技术的不断发展和普及，以手机为主的随身设备日趋多样化、功能不断丰富，移动用户已不再满足单一的语音业务，方便快捷的手机增值业务和移动支付业务备受追捧。 SIM 贴膜卡作为一种创新产品，以其自身优势为移动和金融增值业务市场带来了巨大的机遇。本文通过结合对 上海华虹集成电路有限责任公司（以下称“上海华虹”）研制的两款智能卡芯片的介绍，展示了智能卡芯片在 SIM 贴膜卡上的应用。

【关键词】 贴膜卡、 双界面、 ISO/IEC14443 、 ISO/IEC7816 、 STK 菜单定制

1. 什么是 SIM 贴膜卡

SIM 贴膜卡是一种新型的智能卡片，也被称为“卡贴”。如同其名称所定义的，贴膜卡成功的将一张高安全性 的智能卡变形成为一张“ SIM 贴膜”。通过这种简单的“粘贴”动作，贴膜卡可以在无需改变现有移动终端和 SIM 卡使用的情况下，为用户提供更多新的功能和新的服务。

图 1 贴膜卡示意图

2. 贴膜卡的工作原理

贴膜卡产品通过在手机和 SIM 卡之间插入一张新的智能卡来提供更加丰富的功能和增值服务。由图 2 可以看出贴膜卡的触点与标准的 SIM 卡类似，其中两张卡片的 VCC 、 RST 、 CLK 、 GND 这四个触点由贴膜分别连接在一起，贴膜卡则增加了一个 SIO 引脚（软 IO ），该引脚能够通过软件的方式来模拟标准的 ISO/IEC7816 协议，贴膜卡正是通过这个扩展的 C6 引脚与被贴膜卡所粘贴的那张 SIM 卡（以下称“子 SIM 卡”）建立通信，而贴膜卡的 IO 以及其他 7816 相关信号（灰色引脚）与移动终端相连，这样在子 SIM 卡需要与终端通信的情况下，贴膜卡作为一个中间介质起到一个纽带的作用。

图 2 贴膜卡原理图

如果贴膜卡芯片具有双界面的特性，贴膜卡上尚未使用的 C4 、 C8 可以作为天线的两个接口端（图 3 ），使贴膜卡同时具有 ISO/IEC14443 的标准通信协议，从而极大地丰富了贴膜卡在非电信非接触方面的应用。

图 3 双界面贴膜卡示意图

作为一个智能卡产品， 贴膜 卡 的操作系统是其工作核心，如图 4 所示 SIM 贴膜 卡 的操作系统除了传统的 SIM 应用 COS 外，还 包括了 ATR 处理模块、 PPS 处理模块及 APDU 处理模块三个部分，这三个部分使贴膜卡能够与子 SIM 卡进行通信。当仅使用贴膜卡时，贴膜卡取代子 SIM 卡的地位通过其 IO 引脚直接与移动终端进行通信，这与没有粘贴贴膜卡的 SIM 卡通信方式相同；当需要使用子 SIM 卡时，贴膜卡会通过 SIO 先得到终端的收发数据，经过 PPS 或者 APDU 处理模块的解析后写入子 SIM 卡的 IO 端口或者从子 SIM 卡的 IO 端口上读取数据经 APDU 解析后发给终端，这样子 SIM 卡便通过贴膜卡这条“桥梁”与终端建立了联系。

图 4 贴膜卡 COS 架构图

3. SIM 贴膜卡对智能卡芯片的要求

能够支持 SIM 贴膜 卡的智能卡芯片需要具备一些特性， 从硬件接口角度来说需要有一个额外的支持 ISO/IEC7816 的 GPIO 接口，如果需要支持非电信支付等的非接触应用还需要支持 ISO/IEC14443 相关协议；从安全角度来说，该类智能卡需要支持安全控制、断电保护、存储器保护单元、加密算法等。

综合起来 SIM 贴膜卡 芯片应该具备以下特性 :

l 支持 ISO/IEC7816 串行口协议（接触式应用），并具备至少 1 个额外的支持 7816 协议的 GPIO 接口；

l 支持 ISO/IEC14443 Type A/B 通信协议（非接触式应用）；

l 算法支持： DES 、 3DES 、 RSA （非电信）以及相应的硬件加速器；

l 具有存储器保护电路（ MPU ），可以分别对存储器的不同部分进行权限设置；

l 硬件支持真随机数发生器（ RNG ）；

l 硬件支持频率检测、电压检测、温度检测、防止各种物理解剖、探测；

l 硬件存储支持加密访问；

l 重要信息的存储和修改过程应有断电保护机制进行保护；

l 对于 GSM 应用相关的信息存储和访问权限，遵从国际规范 GSM11.11 ；

l 对于银行类业务信息的存储和访问权限，遵从中国银联 PBOC2.0 规范；

SHC1221 和 SHC1302 是上海华虹研发的能够满足 SIM 贴膜卡要求并实现相关应用的智能卡芯片：

SHC1221

SHC1221 是一款高端接触式 CPU 智能 IC 卡芯片 。该芯片除了标准的 7816 串行接口外，还具有一个可以模拟 7816 协议的 SIO pad ，可让用户方便的扩展 C6 引脚以支持贴膜卡的应用。

其 CPU 是 ARM7 架构的 SC100 ，兼容 16 位的 thumb 指令和 32 位的 ARM 指令，处理器支持快速中断 (FIQ) 和普通中断 (IRQ) ，具有 7 种操作模式、两种安全模式（用户模式和特权模式）；具有存储器保护单元（ MPU ），可以分别对存储器的不同部分进行权限设置； SHC1221 内置的 8K 字节 ROM 和 8K 字节 RAM 均可按 8/16/32 位进行存取；其内置的 384K 字节 Flash 在通常的操作条件下，将提供至少 100,000 次擦写寿命和至少 10 年的数据保存时间； SHC1221 还集成了 2 个 16 位定时器和 1 个看门狗、 真随机数发生器、 系统控制、安全控制（频率检测器、电压检测器和存储器加密）、 DES/3DES 硬件算法等模块。

该芯片既可以当作普通 SIM 卡使用，也可以封装成贴膜卡实现在电信市场尤其是 3G 领域的应用。

SHC1302

SHC1302 （ 32 位双界面卡芯片）是一款能够同时兼有接触式和非接触式通讯接口的 CPU 智能 IC 卡芯片。

该芯片的 CPU 也是采用 ARM 公司的基于 32 位的 ARM7 架构设计的 SC100 ，并采用 RISC 指令集，处理器支持快速中断 (FIQ) 和普通中断 (IRQ) ，具有 7 种操作模式、两种安全模式（用户模式和特权模式）；具有存储器保护单元（ MPU ），可以分别对存储器的不同部分进行权限设置；芯片内置的 160K 字节 ROM 、 8K 字节 RAM 均可按 8/16/32 位存储，并且采用 72K 字节 EEPROM 作为数据或程序的断电存储； 芯片集成了 RF 模块和 7816 串行接口模块，硬件可自动检测接触式和非接触式电源和时钟信号，符合 ISO/IEC7816 T=0/1 和 ISO/IEC14443 Type A/B 通信协议，硬件可自动识别通信协议； 芯片还集成了 2 个 16 位定时器和 1 个看门狗、时钟生成、系统控制、安全控制、 RSA/ECC 算法协处理器、 DES/3DES 、 SSF33 、 SM1 、 SM2 、 SM3 、真随机数发生器、 CRC 模块等模块。

该芯片的典型应用是社保卡和银行卡，如果封装为贴膜卡也可以支持非电信类的支付业务。

4. SIM 贴膜卡的应用

SIM 贴膜卡在电信以及非电信领域均具有广阔的市场空间，无论对于用户、运营商还是银行等金融机构来说均获得了极大的便利和利益。

4.1 一机双号

贴膜 卡的出现，为在无需更换手机、无需更换原始 SIM 卡的情况下实现双卡共存提供了可能性。用户可以拥有两个不同的终端号码当然也可以来自不同的运营商。对于国际漫游用户而言，用户只需将当地的 贴膜 卡贴在原本需要漫游的 SIM 卡上，便可通过号码切换来使用低廉的本地资费，这样不仅省去了携带两只手机或是更换 SIM 卡的不便，还可以和当地用户一样享受由当地运营商提供的诸如号码转接、手机上网等各项增值服务，用户在使用方式和资费上获得了双重节省。 对于运营商而言，这一应用有助于其开辟更大的市场空间，从而获得从其竞争对手现有用户中开发市场的更大可能性。

在实际的使用过程中，用户可以通过移动终端的 STK 菜单对两张 SIM 卡进行切换从而实现两个号码的无缝切换。

4.2 企业 STK 定制

SIM 贴膜卡依其灵活的应用模式为企业管理提供了一条便捷途径。目前很多企业尤其是物流、批发行业都存在物料信息管理的问题， SIM 贴膜卡的 STK 菜单可以让这些企业自行规划、设计和定制增值业务，从而为企业的信息化管理提供便利。例如，业务员可以将发货信息通过定制的 STK 菜单发送到企业后台数据库，数据库的相关管理人员也可通过 STK 菜单的查询及时掌握库存状况。 SIM 贴膜卡的存在使企业在不需要更换 SIM 卡的情况下利用特定的短信通道定制 STK 菜单成为可能。

4.3 金融服务

多年来，服务提供商（如银行等金融机构）一直在寻找一种能够将含有他们服务的智能卡驻入用户手机中的解决方案，然而由于种种限制，却很难找到一种方式能够将金融卡片同已有 SIM 卡的手机系统整合，进而更好地推出各种手机金融业务。 SIM 贴膜 卡技术的出现改变了这一现状，服务提供商可以在无需用户换卡、换手机的前提下向用户推出更多的金融应用和服务 , 如图 5 的示例，用户通过 STK 菜单迅速完成 远程支付、转账缴费 等业务， 这样利用多种多样的手段和渠道发展现有手机用户成为他们的增值服务用户， 为金融机构带来了全新的市场发展空间。

图 5 贴膜卡在金融支付中的应用示意图

对用户而言，他们能够获得更多的选择自由，而不必绑定于一家服务提供商，能够随时选用对自己 为有利的增值服务，如资费更低、更有吸引力的服务，或者更为便捷的手机银行服务等。

5. 结语

本文展示了 SIM 贴膜 卡这种新型智能卡的工作原理，介绍了上海华虹研发的两款可以支持贴膜卡应用的智能卡 IC 芯片，并列举了基于 该项技术而实现的一机双号、拓展手机增值业务、手机银行业务等领域的具体应用。 在通信市场竞争日益激烈的今天， SIM 贴膜 卡的技术方案无疑将会为运营商们扩展其市场占有率提供一个新利器，上海华虹针对该市场将不断创新开发能够更好地支持贴膜卡应用的智能卡芯片。

【参考资料】

[1] ISO/IEC7816, Identification cards - Integrated circuit cards with contacts, Part2: Physical Characteristics

[2] ISO/IEC14443, Identification cards - Contactless integrated circuit(s) cards Cards-Proximity Cards, Part1: Physical characteristics

[3] SHC1221 datasheet - QR7304_4-SHC1221-DS_C-V1.20.pdf

[4] SHC1302 ShortForm - SHC1302-S-C-100211.pdf

作者简介：

董琪拥有上海交通大学信息检测与仪器专业硕士学位，目前在上海华虹集成电路有限责任公司销售部担任 现场应用工程师职务，主要从事 SIM 智能卡相关的电信及移动支付类芯片产品的推广和客户支持。