CN2751360Y - 一种cpu卡表 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种CPU卡表，涉及电子信息安全领域。省去了现在CPU卡表中必须的ESAM模块芯片及其接口电路，在所述的CPU卡表中央控制单元的存储器内集成一ESAM模块，在所述中央控制单元中：表具CPU及加密逻辑电路：数据运算及保证EEPROM中数据安全；RAM：存放命令参数、返回结果，此外，ESAM模块将用户的过程密钥生成后放在RAM空间中，掉电后自动丢失，保证其安全性；ROM：ESAM模块掩膜在ROM中，保证代码安全；EEPROM：用户数据放在被加密逻辑保护的EEPROM中，在满足用户规定的安全条件时，可进行读写操作；I/O：与外部设备进行数据传递。有益效果在于，降低表具成本，提高安全性和表具稳定性。

Description

一种CPU卡表

技术领域

本实用新型涉及电子领域，特别涉及电子信息安全领域，具体地说讲是一种CPU卡表。

背景技术

随着改革开放和社会主义市场经济的不断发展，公共事业行业的传统观念和发展现状发生了很大变化。一方面水、气、热资源由原来取之不尽、用之不竭自然资源变为一种面临匮乏而且具有一定经营成本的特殊市场商品。传统的收费模式已经不能适应新形式的发展，经常造成严重拖欠和流失，并不时产生纠纷，给管理日常工作带来很大的困难和压力。因此，如何应用现代高新技术解决收费困难问题，摸索一条新形式下的收费管理模式具有现实重大意义。

随着IC卡的不断发展，公用事业水、气、热等行业纳入IC卡业务。

IC卡是实施城市一卡通的重要信息载体，IC卡的选型和应用规划是项目能否成功的关键技术环节。

在智能卡表及系统中所使用的都是集成电路卡(IC卡)，集成电路卡的核心是采用集成电路芯片来进行数据的存储。目前广泛使用的IC卡使用的是电可擦除数据存储芯片(EEPROM)，这种芯片读写速度快，掉电后数据可以长期保存，并且数据可以反复进行擦写。应该说，正是由于EEPROM芯片的出现才带来了IC卡技术的广泛应用。

对智能卡表中的信息安全性保护主要体现在对数据信息进行非法攻击的防护上，常用的攻击行为有以下几种：

1、截取信道中的信息：通过非法设备以及相关技术手段读取IC卡中存储的数据信息以及在IC卡与智能卡表进行操作时截取数据交换信息。

如图1a所示为非法设备直接从IC卡读取数据信息，图1b所示为非法设备在IC卡与合法设备在进行数据交换时对数据信息进行截获。这两种攻击方式是不可控制的，并且也是最常用的攻击方式。

2、破译IC卡中的信息：攻击者在采用上述两种方式截获数据信息后，根据IC卡中数据信息的变化情况以及数据交换过程中数据流的变化，对数据进行分析，从而确认IC卡中所有数据的含义以及数据流的变化规则，完成对IC卡以及智能卡表中数据信息的破译，进而达到非法改变数据信息的目的。

3、复现IC卡中的数据信息：攻击者在截获数据信息后，并不对数据进行分析破译，而是记录在特定操作中数据流的变化情况，在需要时，将记录的数据流直接复制发送到IC卡或智能卡表，从而达到非法改变数据信息的目的。这种情况经常发生在当IC卡与CPU卡表之间进行数据交换采用加密处理的时候。

在上述所描述的攻击方法中，第一种方式是手段，由于IC卡和智能卡表全部由用户掌握和使用，管理方无法做到实现实时跟踪，因此在现实中是无法阻止攻击者进行这种尝试的。第二、三种方式是数据分析处理，是攻击的目的所在。如果对IC卡与智能卡表之间的数据进行安全保护处理或者采用较为简单的安全保护，攻击是非常容易达到效果的。

IC卡根据对EEPROM读写处理方式的不同，可以分为存储卡、逻辑加密卡以及智能卡(CPU卡)三大类，它们具有不同的数据保护安全级别。

1、存储卡：存储卡是直接将EEPROM芯片封装在卡片上，外部设备可以直接访问到EEPROM中的任何一个单元，如图2所示：

由于存储卡中只有EEPROM一个芯片，因此IC卡的对外接口实际上就是EEPROM的对外接口，这样外部读写设备就可以十分方便地对EEPROM进行数据读写操作，作为IC卡而言，无法对合法或非法的读写设备进行判断和识别，非常容易进行攻击。存储卡只是用来对数据进行存储，而无法对数据进行安全性保护，因此存储卡不具备数据安全性保护措施，数据安全级别很低。

2、逻辑加密卡：逻辑加密卡是在将EEPROM芯片封装在卡片上的同时，将一组硬件逻辑电路也封装在卡片上，外部读写设备必须通过硬件逻辑电路的判断后才能访问到EEPROM中的任何一个单元，如图3所示：

由于在IC卡中存在一组硬件逻辑加密电路，EEPROM芯片的接口并不直接对外，在初始状态IC卡芯片中的数据开关处于断开状态。外部读写设备在访问IC卡芯片中的EEPROM单元之前，必须首先发一组数据给硬件逻辑电路，硬件逻辑电路在判断数据的合法性后(即密码校验)，才决定是否将IC卡内的开关闭合。只有密码校验正确后，硬件逻辑电路才能将开关闭合，这时外部读写设备才能对EEPROM中的数据进行读写操作，这样逻辑加密卡就可以对外部合法和非法的读写设备进行识别判断。通过这种方式，逻辑加密卡对内部EEPROM中的数据进行了安全性保护，因此逻辑加密卡具备数据安全性保护措施。

但逻辑加密卡的安全性级别并不是很高，有两种攻击方式可以对其进行攻击测试，一种是当合法读写设备在发送数据进行密码校验时，非法设备可以跟踪到校验密码，这样今后非法设备通过重放也可以通过密码校验，从而对逻辑加密卡进行数据攻击；另一种方法是非法设备在跟踪到合法设备已经通过逻辑加密卡的密码校验，IC卡内部开关闭合后，再通过数据线对逻辑加密卡中EEPROM的数据进行攻击破坏。因此逻辑加密卡虽然具备一定的数据安全性保护，但它的安全级别依然较低，具备一定的手段仍然是可以攻破的。

造成这种情况出现的原因是因为逻辑加密卡中的安全性是依赖一组硬件逻辑电路，这种电路只有判断能力，但不具备分析处理能力，因此不能及时发现和处理变化的环境。

3、智能卡(CPU卡)：CPU卡是在将EEPROM芯片封装在卡片上的同时，将微处理器芯片(CPU)也封装在卡片上，外部读写设备只能通过CPU与CPU卡内的EEPROM进行数据交换，在任何情况下都不能再访问到EEPROM中的任何一个单元，如图4所示：

由于在CPU卡中封装了微处理器芯片(CPU)，这样EEPROM的数据接口在任何情况下都不会与CPU卡的对外数据线相连接。外部读写设备在与CPU卡进行数据交换时，首先必须发指令给CPU，由CPU根据其内部ROM中存储的卡片操作系统(COS)对指令进行解释，并进行分析判断，在确认读写设备的合法性后，允许外部读写设备与CPU卡建立连接。之后的数据操作仍然要由外部读写设备发出相应的指令，并且CPU对指令进行正确解释后，允许外部读写设备和智能卡中的数据存储区(RAM)进行数据交换，数据交换成功后，在CPU的控制下，利用CPU卡中的内部数据总线，再将内部RAM中的数据与EEPROM中的数据进行交换。可以看到，在数据处理过程中，外部读写设备只是和CPU打交道，同时数据交换也只能和数据缓存区RAM进行，根本无法实现对CPU卡中EEPROM数据的直接访问。这样就实现了对CPU卡EEPROM中数据的安全保护，因此CPU卡也具备数据安全性保护措施。

现在的CPU卡表采用ESAM模块来进行数据的安全存储和安全控制，ESAM模块即(Embedded Secure Access Module)嵌入式安全控制模块，该模块中存储表具数据和密钥，采用专用的智能卡芯片模块封装，除了具有防检测、抗攻击、自毁等硬件特性外，还具有安全的文件密钥管理，完善的安全机制、独特的运算功能等特性，ESAM芯片最主要的应用模式是嵌入到专用或通用设备中，完成数据的加解密、双向身份认证、访问权限控制、通信线路保护、临时密钥导出、软件版权保护、数据文件存储等多种功能。这样CPU卡表中的CPU还是完成原来普通卡表的功能，当需要进行数据交换时，由CPU启动ESAM芯片与CPU用户卡完成安全认证以及数据保护工作。

但是在CPU卡表加入ESAM芯片增加了电子元件和电路版面积，加大了电路功耗，容易造成表具工作不稳定，并可能在CPU用户卡与CPU卡表或合法读写器之间进行数据交换时被非法设备跟踪破译。

实用新型内容

本实用新型提供了一种CPU卡表，用于解决原CPU卡表ESAM模块与CPU卡表主CPU之间的接口电路容易被监听，系统不稳定，成本高等缺点。

一种CPU卡表，包括采样电路，阀门控制装置，IC卡接口，显示装置，将原CPU卡表的中央控制单元与独立嵌入式安全控制模块芯片相连接的引脚接地，并将一嵌入式安全控制模块存储于中央控制单元的只读存储器内；

所述的CPU卡表中央控制单元与所述的采样电路，阀门控制装置，IC卡接口，显示装置相耦合；

在所述的CPU卡表中央控制单元中：主CPU调用ROM中的嵌入式安全控制模块向RAM传送读卡指令，通过IC卡接口取得CPU用户卡的验证数据，嵌入式安全控制模块根据该数据产生临时密钥并存储于RAM中，并根据该密钥运算生成认证数据，通过IC卡接口把该认证数据传送给CPU用户卡，经过CPU用户卡的验证通过后，才可以读写CPU用户卡EEPROM中被保护的用户数据。

所述CPU卡表中央控制单元内的嵌入式安全控制模块与CPU卡表其它的用户功能模块分别运行于RAM中的特定位置。

所述的嵌入式安全控制模块运行于CPU卡表中央控制单元RAM低地址空间，用户功能模块运行于RAM高地址空间。

所述的用户功能模块为电表的计量功能，计费功能，阻断供应功能。

所述的用户功能模块为水表的计量功能，计费功能，阻断供应功能。

所述的用户功能模块为燃气表的计量功能，计费功能，阻断供应功能。

所述的用户功能模块为暖表的计量功能，计费功能，阻断供应功能。

本实用新型的有益效果在于，采用单芯片后，由于CPU卡表中必须的ESAM芯片功能已经集成到CPU卡表中央控制单元内部，所以原ESAM芯片及接口电路可以全部省掉，而CPU卡表主CPU与ESAM进行数据交换，将在CPU卡表中央控制单元内部进行，也就不再需要主CPU与ESAM芯片的接口电路；更小的电路版体积，更少的电子元件意味着更小的电路版面积，方便厂商装配到不同尺寸的基表之上；更高的电路稳定性，单芯片经过芯片提供厂商的严格工业环境测试，稳定性显然高于表具厂商所采用的分离电路方案；更小的功率消耗，意味着高性能电池投资的减少，采用电池供电的三表产品，功耗非常敏感件的减少同样也意味着整个电路板功耗的下降；更低的器件成本，单芯片的器件成本由于是大批量生产，其成本是低于分离元件的；并且采用单芯片而带来的器件数目减少，电路板面积减小，功率消耗的降低都将进一步降低器件成本和生产成本；更好的安全性，将ESAM芯片功能集成在CPU卡表中央控制单元中，免于将ESAM芯片与主CPU的接口暴露在电路板中，杜绝了侦听报文、篡改通讯数据的攻击方式，使产品的安全系数能够大幅度提高；更简单方便的软硬件开发，采用集成ESAM的单芯片CPU卡表，意味着用户不需要重复与ESAM芯片相关的软硬件接口设计，由此带来的开发便利性将极大的减少表具厂商的产品上市时间，降低厂商的软硬件研发以及生产费用。

附图说明

图1a为非法设备直接从IC卡读取数据信息示意图；

图1b为非法设备在IC卡与合法设备在进行数据交换时对数据信息进行截获的示意图；

图2为存储卡示意图；

图3为逻辑加密卡示意图；

图4为智能卡示意图；

图5为具有ESAM芯片的CPU卡表电路图；

图6为本实用新型CPU卡表的示意图；

图7为本实用新型中央控制单元存储器结构图；

图8为本实用新型CPU卡表电路图。

具体实施方案

下面结合附图说明本实用新型的具体实施方式：

图5为现有技术，CPU卡表主CPU分别和ESAM芯片接口电路、IC卡接口电路、马达控制模块、显示模块、水表采样模块相连接，其中CPU卡表主CPU的P22引脚接ESAM芯片；当CPU用户卡插入到CPU卡表的IC卡接口电路时：

1.CPU卡表CPU向CPU用户卡发取随机数指令

2.CPU用户卡向CPU卡表返回随机数

3.CPU卡表通过接口电路向ESAM芯片传送该随机数，

4.ESAM芯片用存储在该芯片中的密钥对随机数进行加密运算，生成加密结果即验证数据

5.ESAM芯片通过ESAM芯片的接口电路发送验证数据到CPU卡表CPU

6.CPU卡表CPU向CPU用户卡传送验证数据

7.CPU用户卡用存储的密钥和随机数进行加密运算，并将生成的验证数据和收到的验证数据进行比较

8.CPU用户卡将比较结果返回CPU卡表CPU

密钥是事先设置到ESAM芯片和CPU用户卡中的，它在认证过程中只参与运算，但不在线路中进行传输。由于在用户卡中封装了微处理器芯片(CPU)如图4所示，这样CPU用户卡内的EEPROM的数据接口在任何情况下都不会与CPU卡的对外数据线相连接。ESAM芯片在与用户卡进行数据交换时，首先必须发指令给ESAM的CPU，由CPU根据其内部ROM中存储的卡片操作系统(COS)对指令进行解释，并进行分析判断，在得到CPU用户卡与CPU卡表传输的数据安全的信息后与用户卡CPU通信，经过用户卡CPU的验证后，允许ESAM芯片与CPU用户卡建立连接。

如图6所示，为本实用新型CPU卡表的示意图，包括中央控制单元，液晶显示模块，采样电路，阀门控制模块，实时时钟模块，电压检测模块，IC卡接口；其中液晶显示模块，采样电路，阀门控制模块，实时时钟模块，电压检测模块，IC卡接口均与CPU卡表中央控制单元相耦合；采样电路主要用来获得CPU卡表普通功能对于水、电、气等能源计量值，阀门控制模块包括一马达主要用来切断或开通能源，实时时钟模块主要是用来对CPU卡表的实时时钟的控制，IC卡接口是用来插入付费或验证等操作IC卡。根据液晶显示模块，采样电路，阀门控制模块，实时时钟模块，电压检测模块对CPU卡表进行数据输入，在CPU卡表存储区存储用户能源适用量值和一些费用信息。在CPU卡表中央控制单元中CPU及加密逻辑电路：数据运算及保证EEPROM中数据安全；RAM：存放命令参数、返回结果，此外，ESAM模块将用户的过程密钥生成后放在RAM空间中，掉电后自动丢失，保证其安全性；ROM：ESAM模块掩膜在ROM中，保证代码安全；EEPROM：用户数据放在被加密逻辑电路保护的EEPROM中，在满足用户规定的安全条件时，可进行读写操作；I/O：与外部设备进行数据传递。用户插入IC卡后，由于ESAM芯片被集成在CPU卡表中央控制单元中，内部存储区的内存情况如图7所示，用户的应用程序和ESAM的COS共同整合到一个中央控制单元中，ESAM COS和用户程序都希望独占CPU资源，整合将比较困难，另外考虑到ESAM COS的安全性需求，COS不能够以Lib库的方式提供给用户，也就是说，COS和用户程序必须在芯片中逻辑上独立。

将CPU卡表中央控制单元的存储空间线性编址，将COS驻留在低地址空间，其运行所需要的RAM空间也只使用低地址空间，而用户程序驻留在程序空间的高地址空间，运行所需RAM空间也只使用高地址。这样就能够进行有效的整合而不相互干扰。COS程序可以在芯片生产的时候，硬掩膜进芯片中，COS程序使用低地址空间。低地址空间对应用程序开发者不可见。这点可以在随芯片提供的编译程序上实现。

如图8所示，为本实用新型CPU卡表电路图，包括主控CPU，即中央控制单元，显示模块，采样电路，马达控制模块，电压检测模块，IC卡接口；其中液晶显示模块，采样电路，阀门控制模块，实时时钟模块，电压检测模块，IC卡接口均与主控CPU相耦合，省去了ESAM芯片，并把ESAM功能集成于主控CPU中；主控CPU的P22引脚接地，关于CPU卡表与CPU用户卡之间的安全验证等信息全部由CPU卡表主控CPU来实现。

采用本实用新型的CPU卡表后，由于CPU卡表中必须的ESAM芯片的功能已经集成到CPU卡表中央控制单元内，所以在电路上可以看出ESAM芯片及接口电路全部省掉。而CPU与ESAM进行数据交换，将在中央控制单元内部进行，也就不在需要CPU与ESAM芯片的接口电路。数据在CPU内部进行交换，不在暴露在外围电路中，将大大提高数据交换的安全性。

以上具体实施方式仅用于说明本实用新型，而非用于限定本实用新型。

Claims (3)

1.一种CPU卡表，包括采样电路，阀门控制装置，IC卡接口，显示装置，其特征在于将原CPU卡表的中央控制单元与独立嵌入式安全控制模块芯片相连接的引脚接地，并将一嵌入式安全控制模块存储于中央控制单元的只读存储器内；

所述的CPU卡表中央控制单元与所述的采样电路，阀门控制装置，IC卡接口，显示装置相耦合；

在所述的CPU卡表中央控制单元中：主CPU调用ROM中的嵌入式安全控制模块向RAM传送读卡指令，通过IC卡接口取得CPU用户卡的验证数据，嵌入式安全控制模块根据该数据产生临时密钥并存储于RAM中，并根据该密钥运算生成认证数据，通过IC卡接口把该认证数据传送给CPU用户卡，经过CPU用户卡的验证通过后，才可以读写CPU用户卡EEPROM中被保护的用户数据。

2.根据权利要求1所述的一种CPU卡表，其特征在于，所述CPU卡表中央控制单元内的嵌入式安全控制模块与CPU卡表其它的用户功能模块分别运行于RAM中的特定位置。

3.根据权利要求2所述的一种CPU卡表，其特征在于，将所述的嵌入式安全控制模块运行于CPU卡表中央控制单元RAM低地址空间，用户功能模块运行于RAM高地址空间。

Images