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Diese
Erfindung betrifft das Gebiet der Chipkarten und insbesondere die
Chipkarten vom Typ ISO 7816.
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Diese
Karten erscheinen in der Gestalt eines kompakten Moduls mit einer
grossen Anzahl elektronischer Elemente wie Speicher, Mikroprozessoren und
Modem. Mit dem raschen Fortschritt der Technologie sind Leistungen,
die noch gestern auf umfangreiche Systeme beschränkt waren, nunmehr in Chipkarten
verfügbar.
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Die
Norm ISO 7816 definiert die Schnittstelle einer solchen Karte, die
in Gestalt einer Rosette mit acht Kontakten vorliegt, deren Funktionen
durch die Norm festgelegt werden.
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Die
Auslegung solcher Karten war durch die Notwendigkeit diktiert worden, über tragbare
Datenträger
zu verfügen
und eine grosse Sicherheit beim Schutz dieser Daten zu bieten. Durch
ihren Aufbau sind sie jedoch für
Speicher- und Verarbeitungsanwendungen bestimmt, die wenige Ein-
und Ausgaben verlangen. Nach der Norm ISO 7816 wird tatsächlich nur
eine Verbindung für
diese Funktion eingesetzt, und zwar in einem zweiseitig gerichteten
Semi-duplex Modus.
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So
wird die Entwicklung dieser Karten durch diesen Aufbau eingeengt,
indem ihr Einsatz für
Steueranwendungen vorbehalten bleibt, während die rasche Datenverarbeitung
in anderen Einheiten erfolgt.
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Dies
ist insbesondere beim Gebührenfernsehen
der Fall, wo die Signale durch einen Schlüssel verschlüsselt werden,
der zeitlich veränderlich
ist. Dem beim Dekodierer ankommenden Audio- und Videodatenstrom
sind Verwaltungsnachrichten (EMM) beigefügt, die die Schlüssel in
verschlüsselter
Form enthalten. Wenn eine solche Nachricht erkannt wird, wird sie
zur Chipkarte geleitet, die als Sicherheitsmodul dient.
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In
dieser Anwendung enthält
die Chipkarte die verschiedenen Schlüssel, die es gestatten, die Nachrichten
zu entschlüsseln
und zu überprüfen, ob der
Abonnent über
genügende
Rechte verfügt,
die Daten zu sehen. Wenn ja, schickt die Karte Informationen zurück, die
es dem Dekodierer erlauben, die verschlüsselten Daten zu entschlüsseln.
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Dieses
Verfahren hat mehrere Nachteile. Der erste besteht darin, das die
Schlüssel
lesbar an einen Dekodierer geliefert werden müssen, der nicht als ein sicheres
Element betrachtet werden kann. Darin liegt übrigens der Grund, warum die
Schlüssel
in regelmässigen
Zeitabständen,
typischerweise alle Sekunden, geändert
werden. Dieser Aufbau, der in vieler Hinsicht zwar befriedigend
ist, stellt aber in anderen Anwendungen ein wirkliches Problem dar,
zum Beispiel bei der Datenspeicherung. In einer solchen Anwendung
verliert sich der Begriff der Gültigkeitsdauer eines
Schlüssels,
und den verschlüsselten
Daten wird ein Schlüssel
beigegeben, den nur die Chipkarte entschlüsseln kann.
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Es
versteht sich, dass bei Lieferung des Schlüssels an den Dekodierer, in
diesem Beispiel einen Rechner, die Gefahr besteht, dass der Schlüssel durch
einen Dritten abgefangen und unkontrolliert offengelegt wird.
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Um
diesem Problem abzuhelfen, besteht eine mögliche Lösung darin, die Daten direkt
in der Chipkarte zu entschlüsseln.
So verlässt
der Entschlüsselungsschlüssel die
Karte nicht, da er direkt in der Karte für die Verarbeitung der verschlüsselten Daten
verwendet wird.
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Diese
Nutzungsart stösst
rasch auf die physischen Begrenzungen der Karte nach ISO 7816, deren
I/O-Port eine Datentransfergeschwindigkeit von der Grössenordnung
von 100 Kbit/s hat.
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Probleme
des gleichen Typs stellen sich beim Einsatz einer kontaktfreien
Karte vom Typ ISO 14443. Hier liegen die Transfergeschwindigkeiten
in der Grössenordnung
von 106 bis 425 Kbit/s.
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Bei
jeder Änderung
des Aufbaus der Karte stellt sich ein Problem der Kompatibilität mit den
Lesern nach ISO 7816 und ISO 14443, die diese neuen Definitionen
nicht verstünden.
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Im
Dokument
US 6 035 037 wird
eine Chipkarte beschrieben, die eine Rosette mit acht Kontakten
vom Typ ISO 7816 umfasst und einen Entschlüsselungsmodul, einen Prozessor
bzw. eine Zentraleinheit, die mit einer ersten Schiene verbunden
ist, zumindest einen Standardduplexkanal sowie einen schnellen seriellen
Kanal enthält,
der an Kontakte angeschlossen ist, die nicht vom Standardduplexkanal verwendet
werden. Der schnelle serielle Kanal ist an eine zweite Schiene angeschlossen.
Der Entschlüsselungsmodul
umfasst mehrere Ver- und Entschlüsselungsmodul,
die durch die zweite Schiene miteinander verbunden sind. Diese Ver-
und Entschlüsselungsmodul
sind über
die erste Schiene auch an den Prozessor angeschlossen.
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Das
Ziel der Erfindung besteht darin, eine Chipkarte zur Verfügung zu
stellen, die die Verträglichkeit
mit den vorhandenen Lesern wahrt und weitere Leistungen bietet,
insbesondere die Möglichkeit, die
Daten innerhalb der Karte zu entschlüsseln, und zwar bei der Geschwindigkeit,
die durch die Datenflussgeschwindigkeit vorgegeben wird.
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Dieses
Ziel wird durch eine Chipkarte erreicht, die eine Rosette von acht
Kontakten nach der Norm ISO 7816 umfasst und eine Zentraleinheit,
die an eine erste Schiene angeschlossen ist, zumindest einen Standardduplexkanal,
einen schnellen seriellen Kanal, der an Kontakte angeschlossen ist,
die vom Standardduplexkanal nicht verwendet werden, wobei dieser
schnelle serielle Kanal mit einer zweiten Schiene verbunden ist,
und eine Mehrzahl von Ver- und Entschlüsselungsmodule enthält, die
durch die zweite Schiene miteinander verbunden sind, wobei diese
Ver- und Entschlüsselungsmodule über die erste
Schiene auch mit der Zentraleinheit verbunden sind, dadurch gekennzeichnet,
dass sie einen Multiplexmodul umfasst, der diese Ver- und Entschlüsselungsmodule
mit dem schnellen seriellen Kanal verbindet, wobei dieser Multiplexmodul
mit der zweiten und mit der ersten Schiene verbunden ist.
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Unter
nicht verwendeten Kontakten versteht man Anschlüsse, die in der Norm keine
besonderen Funktionen besitzen, bzw. Anschlüsse, die in derzeitigen Kartengenerationen
nicht mehr verwendet werden.
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In
dieser Kategorie findet man natürlich
die beiden Anschlüsse
RFU ("Reserved for
future use") sowie
den Anschluss „Vpp", der es erlaubte,
die nichtflüchtigen
Speicher mit einer Spannung von mehr als 5 V zu versorgen (allgemein
von 12 V bis 21 V). Mit dem Auftauchen der neuen Technologien nichtflüchtiger
Speicher wie NVRAM, EEPROM oder FLASH wird diese Spannung durch
den Chip selbst erzeugt, und heute wird dieser Anschluss nicht mehr verwendet.
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Durch
Nutzung dieser zusätzlichen
Leitungen ist es möglich,
ein Protokoll zu definieren, dass sich von den in der Norm ISO 7816
eingesetzten unterschiedet und so die Bahn für weitere Anwendungen freimacht.
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Die
drei verfügbaren
Anschlüsse
ermöglichen
durch eine Taktleitung (CLK), eine Eingangsleitung (IN) und eine
Ausgangsleitung (OUT) eine Verbindung hoher Geschwindigkeit. Es
ist möglich,
die verschiedenen Zugänge
zur Karte gemeinsam zu benutzen, zum Beispiel über den Standardkanal, der durch
eine I/O-Leitung zweiseitig gerichtet funktioniert. Dieser schnelle
Kanal fügt
zu den bereits vorhandenen Funktionen neue hinzu, zum Beispiel einen
schnellen Ver- und
Entschlüsselungsmodul.
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Der
Einsatz dieses schnellen Kanals hat Folgen für die Architektur der Karte.
Es ist nunmehr möglich,
einen Ent- (oder Ver-) schlüsselungsmodul vorzuschlagen,
der gänzlich
im Inneren der Karte abläuft.
Dafür werden
die durch den schnellen Kanal ankommenden Daten zu einem speziellen
Entschlüsselungsmodul
geleitet. Diese Daten müssen
nämlich nicht
notwendigerweise durch den Mikroprozessor laufen, sondern können über eine
rasche interne Schiene direkt zum speziellen Entschlüsselungsmodul
geleitet werden.
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Zu
diesem Zweck verfügt
die erfindungsgemässe
Chipkarte über
Multiplexmittel, die einen direkten Zugang zwischen dem schnellen
Kanal und einem oder mehreren Spezialmodule ermöglichen. Diese Mittel erlauben
es auch, den Strom vom schnellen Kanal zum Mikroprozessor zu leiten,
wenn dies erforderlich ist. Wenn bestimmte Mikroprozessoren Daten
nicht mit Geschwindigkeiten von mehreren Megabits verarbeiten können, so
machen andere, weiterentwickelte Versionen eine solche Behandlung möglich und
können
bestimmten Spezialmodule ersetzen. Demzufolge kann der Mikroprozessor
durch (programmierbare) Software an die Stelle von Spezialmodule
treten, indem er dank (nicht programmierbarer) elektronischer Schaltkreise
mathematische Operationen ausführt.
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Erfindungsgemäss erlauben
es die Multiplexmittel, mehrere Spezialmodule in Reihe zu schliessen.
Die erfindungsgemässe
Karte kann einen ersten Modul für
die Datenkomprimierung umfassen, dessen Ausgang zu einem Verschlüsselungsmodul führt.
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Während der
Datenverarbeitung über
den schnellen Kanal bleiben die anderen Kommunikationswege verfügbar, insbesondere
die I/O-Verbindung, die in der Norm ISO 7816 beschrieben wird, oder
die kontaktfreie Verbindung des Typs ISO 14443. Über diese Mittel können somit
Steuerinformationen übermittelt
werden, wobei diese Informationen dazu dienen, Instruktionen zur
Verwaltung der Karte zu übermitteln,
zum Beispiel die Parameter der Entschlüsselungsmodule oder die mit
diesen Parametern verbundenen Rechte.
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Erfindungsgemäss umfassen
die Multiplexmittel auch Mittel der Datenentnahme und -einspeisung,
um bestimmte Datentypen vom Datenstrom abtrennen zu können. Ein
digitaler Datenfluss, der für das
Gebührenfernsehen
bestimmt ist, umfasst nützliche
Daten wie Audio und Video sowie Steuerdaten. Wenn dieser Strom über den
schnellen Kanal geführt wird,
müssen
daraus die Steuerdaten entnommen werden, die die Information über die
Entschlüsselungsschlüssel sowie
verschiedene Verwaltungsinformationen enthalten.
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Dieser
Entnahme- und Einspeisemodul wird durch den Mikroprozessor eingerichtet,
und wenn eine Nachricht den Kriterien des Erkennens entspricht,
wird diese Nachricht zum Mikroprozessor geleitet.
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Die
durch eine solche Karte verarbeiteten Daten sind allgemein in Blöcken organisiert.
Jeder Block beginnt mit einer Blockkennung, die den Typ der Information,
die in diesem Block enthalten ist, beschreibt.
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In
der umgekehrten Funktion, d.h. bei der Datenverschlüsselung,
kann dieser Modul Steuerdaten in den von der schnellen Schiene ankommenden Datenstrom
einfügen.
Diese Steuerdaten werden von der Zentraleinheit erzeugt, um zum
Beispiel den Datenstrom zu charakterisieren, Steuerwörter in
verschlüsselter
Form zu übermitteln
oder Wegleitungsinformationen zu übermitteln. Zu diesem Zweck
enthält dieser
Modul einen Pufferspeicher, der die von der schnellen Schiene kommenden
Datenblöcke
sowie die von der Zentraleinheit kommenden Datenblöcke empfängt. Wenn
der Pufferspeicher einen Steuerdatenblock enthält, wird dieser am Ende eines
von der schnellen Schiene kommenden Datenblocks in den Strom eingefügt. Dieser
Datenstrom wird dann zum Aufbereitungsmodul übermittelt, um zum schnellen Ausgang
hingelenkt zu werden.
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Dank
dieses Aufbaus ist es somit möglich, den
gesamten Datenstrom in der Chipkarte zu verarbeiten und dadurch
die Datensicherheit stark zu erhöhen.
Es ist somit möglich,
einen vollständigen Strom
verschlüsselter
oder entschlüsselter
Daten in der Karte zu erzeugen, einschliesslich der Verwaltungsinformationen
wie zum Beispiel der Steuerwörter.
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Einer
Form der Erfindung zufolge entspricht der schnelle Kanal den USB-(Universal Serial
Bus) Normen. Die Besonderheit dieser Schnittstelle besteht darin,
dass die Signale zwei Anschlüsse
verwenden, einen für
die hereinkommenden Daten (IN) und einen für die hinausgehenden Daten
(OUT).
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Die
erfindungsgemässe
Chipkarte umfasst einen Modul der Protokollerkennung, der es ihr
ermöglicht,
sich dem USB-Protokoll unterzuordnen, und es zum inneren Protokoll
der Chipkarte umwandelt, zum Beispiel durch eine Takterneuerung.
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Die
vorliegende Erfindung lässt
sich eingehender dank der beigefügten
Zeichnung verstehen, die nicht eingrenzend zu verstehen ist und
deren einzige Figur die Architektur einer Chipkarte und ihres Lesers
gemäss
der Erfindung darstellt.
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In
dieser Figur werden die beiden Anschlusstypen des Standes der Technik
dargestellt, nämlich die
Drahtverbindung (A) und die berührungsfreie
Verbindung (B). Obwohl allgemein die bekannten Karten nur einen
dieser Anschlüsse
haben, ist es möglich, dass
aus Gründen
der Buchführung
eine solche Karte erzeugt würde.
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Der
I/O-Anschluss (A) führt
zu einem UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter), der mit
einem Pufferspeicher (BUF) gekoppelt ist. Die im UART ankommenden
Signale werden aufbereitet und gefiltert, um Rauschen und weitere
Störungen
zu beseitigen. Der Pufferspeicher dient dazu, die eintreffenden
Daten zu speichern, ehe sie durch den Mikroprozessor verarbeitet
werden.
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Eine ähnliche
Verarbeitung erfolgt beim berührungsfreien
Weg (B). Die durch den Leser ausgesendeten Signale dienen gleichzeitig
zur Stromversorgung der Karte. Deshalb hat die Antenne der Karte
(20) eine vierfache Funktion: Daten zwischen der Karte
und dem Leser senden und empfangen, das Taktsignal liefern und die
Karte versorgen. Der Versorgungsmodul (SPL) wandelt den Hochfrequenzträger in eine
durch die Karte verwendbare Spannung um. Aufwärts von diesem Modul befindet
sich ein Modul zur Aufbereitung des modulierten Signals, zum Beispiel
ein Modem.
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Die
so gewonnene Spannung wird an einen Speiseverwaltungsmodul PWRM übermittelt,
der die Wahl der Speisequelle zu treffen hat, insbesondere wenn
mehrere Quellen verfügbar
sind. In der Ausführungsform,
in der die Karte durch den Leser über Kontakte mit Strom versorgt
wird, wählt
der Speiseverwaltungsmodul (PWRM) vorrangig die vom Leser kommende
Stromspeisung. Diese regulierte Speisung VP wird dann an die Elemente
der Karte verteilt.
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Die
durch den UART dekodierten Informationen sind in der Folge auf der
durch eine fette Linie in der Figur dargestellten Standardschiene
(STB) verfügbar.
Diese Schiene gestattet es, alle Module untereinander zu verbinden,
wobei die Zentraleinheit (CPU) als Dirigent fungiert. Für ihre Speicherbedürfnisse
verfügt
die Karte über
eine Gruppe von Speichern, die sich aus einem Programmspeicher (ROM oder
NVRAM), einem Arbeitsspeicher (RAM) und einem Sicherungsspeicher
(NVRAM) zusammensetzt. Diese verschiedenen Speicher können von
einem Speicherverwalter (MM) verwaltet werden. Dieser Modul umfasst
ebenfalls die Verwaltung der Zugriffsrechte auf die verschiedenen
Speicher.
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Die
erfindungsgemässe
Karte umfasst eine zweite schnelle Schiene (HSB), die in der Figur
gestrichelt dargestellt ist. Diese Schiene HSB kann vom parallelen
oder seriellen Typ sein und gestattet Geschwindigkeiten von mehreren
Megabits. Die über diese
Schiene verbundenen Module sind ebenfalls über die Standardschiene verbunden,
und zwar für die Übermittlung
von Initialisierungen, Schlüsseln und
anderen Parametern. Mit der schnellen Schiene HSB verbunden findet
man die speziellen Ver- und Entschlüsselungsmodule für die verschiedenen
unterstützten
Protokolle. So sind Module vom Typ IDEA, DES, Tripel-DES, Hash oder
AES vorgesehen. Weiter können
noch andere spezialisierte Module wie Module für die Komprimierung und Dekomprimierung je
nach Bedarf hinzugefügt
werden.
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Ein
Modul, der die Technologie FPLA („Field Programmable Logic
Array") verwendet,
gestattet es, die Operationen zukünftiger Verschlüsselungsalgorithmen
zu programmieren. Die Zentraleinheit CPU kann diesen Modul so konfigurieren,
dass er die für eine
Entschlüsselung
von Informationen erforderlichen Operationen oder irgendwelche andere
Funktionen ausführt.
Das Besondere an diesem Modultyp besteht darin, Blöcke einer
Einheitsfunktion (zum Beispiel Schieberegister oder XOR) zur Verfügung stellen
zu können,
die je nach Bedarf verbunden werden, um die gewählte komplexe Funktion zu realisieren.
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Ein
wichtiger Aspekt der Erfindung wird durch die Elemente dargestellt,
die den schnellen Kanal bilden. Ein erster Modul zur Protokollerkennung, DP,
hat die Aufgabe, die Signale aufzubereiten und das verwendete Protokoll
zu erkennen. Die Signale werden dem internen Protokoll gemäss umgewandelt,
zum Beispiel über
eine synchrone serielle Schiene mit drei Drähten. Dieser Modul hat die
Aufgabe der Anpassung an die durch die äussere Schnittstelle definierte
Norm. Die Erkennung des Protokolls erfolgt automatisch, zum Beispiel
in Abhängigkeit
von der Gegenwart oder Abwesenheit eines Taktsignals oder von der
verwendeten Übertragungsfrequenz.
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Wenn
die Signale nach einem bekannten Protokoll aufbereitet worden sind,
werden sie zum Multiplexer MUX geleitet. Dieser Modul erlaubt es, sie
je nach Bedarf zum entsprechenden Zielmodul zu schicken. Die Zentraleinheit
kann zum Beispiel den Multiplexer so konfigurieren, dass er die
Signale vom schnellen Kanal zum Verschlüsselungsmodul IDEA schickt.
Beim Durchlauf durchsucht der Modul für eine Entnahme und Einspeisung
FF die Daten und entnimmt diejenigen, die den programmierten Kriterien
entsprechen. Wenn die Kriterien des Erkennens erfüllt sind,
wird durch den Modul für
eine Entnahme und Einspeisung FF eine Unterbrechung erzeugt und die
Zentraleinheit CPU von der Anordnung dieser Daten unterrichtet.
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Der
Multiplexmodul MUX kann natürlich
die Daten zur Zentraleinheit CPU schicken, wenn die Kapazitäten für eine Behandlung
des Datenflusses genügend
gross sind. Es ist auch möglich,
in den Modul MUX einen Pufferspeicher zu integrieren, um die Daten
zeitweilig zu speichern, ehe der Zielmodul sie verarbeiten kann.
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Wie
oben beschrieben, funktioniert der Modul für das Entnehmen und Einspeisen
FF in beiden Richtungen und erlaubt es, die Steuerblöcke zum schnellen
Kanal hin einzufügen.
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Es
ist bekannt, dass dieser Kartentyp nicht über einen internen Taktgenerator
verfügt,
sondern von den Taktsignalen abhängt,
die vom Leser kommen. In unserem Falle verfügen wir über drei mögliche Taktquellen, nämlich den
klassischen Eingang CLK nach der Norm ISO 7816, den Takt C1, der
der berührungsfreien Übermittlung
entnommen wird, und den Takt C2, der die schnelle Schiene begleitet.
Der Taktverwaltungsmodul CLKM verwaltet diese verschiedenen Quellen
und gewährleistet,
dass die Karte Taktimpulse erhält.
Dieser Modul enthalt auch Mittel, um die Frequenz je nach den Bedürfnissen
zu vervielfachen oder zu teilen. Dieser Modul kann je nach den Bedürfnissen
mehrere Taktimpulssignale erzeugen, zum Beispiel eine erste Frequenz
für die Zentraleinheit
CPU und eine zweite Frequenz für
die schnellen Module (DVD, PKC, IDEA usw.).
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Die
Verwaltung der verschiedenen Taktquellen entspricht hierarchisch
definierten Kriterien. Die Reihenfolge des Vorrangs ist allgemein:
Quelle ISO 7816 (CLK), dann Quelle ISO 14443 berührungsfrei (C1), zletzt die
Quelle des schnellen Kanals (C2).
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Diese
Erfindung betrifft ebenfalls einen Kartenleser, der Mittel umfasst,
um über
einen schnellen Kanal mit einer Chipkarte zu kommunizieren.
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Dieser
Leser muss sich an eine grosse Anzahl von Kartentypen anpassen können, insbesondere
an Karten verschiedener Generationen. Die Schnittstelle zwischen
Leser und Rechner ist vorteilhafterweise der USB-Port, der einen raschen
Datentransfer ermöglicht.
Es ist möglich,
dass eine Chipkarte dieses Protokoll nicht unterstützt und
einen Anschluss mit drei Drähten
(IN, OUT, CLOCK) verlangt. In diesem Falle enthält der Leser eine Schnittstelle, die
es erlaubt, die der Norm USB gehorchenden Signale in ein für die Karte
annehmbares Protokoll zu verwandeln. Es sei bemerkt, dass die Identifizierung des
Kartentyps und damit auch der Kommunikationskapazitäten der
Karte auf den herkömmlichen
Wegen erfolgt, für
die die Norm wohl definiert ist. Diese Wege können entweder die des Typs
ISO 7816 (Stromfluss) oder die des Typs ISO 14443 (elektromagnetisch) sein.
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Gemäss einer
besonderen Ausführungsform des
Lesers wird der Modul für
eine Entnahme und Einspeisung FF im Leser untergebracht. Somit kann der
gesamte Datenstrom über
den schnellen Kanal, zum Beispiel über die USB-Schnittstelle ankommen, und
Verwaltungsnachrichten werden im Leser erkannt. Letztere werden über den
herkömmlichen
Kanal an die Chipkarte geschickt.