SIM卡读卡器的研究与设计

1 SIM卡(Subscriber Identity Module)

即用户识别模块，是一张符合GSM规范的"智慧卡"。SIM卡可以插入任何一部符合GSM规范的移动电话中，"实现电话号码随卡不随机的功能"，而通话费则自动计入持卡用户的帐单上，与手机无关。

SIM卡作为智能卡中特殊的一类卡，采用标准的接触式IC卡。他受到ISO7816标准(接触式集成电路IC卡的规定)和ETSI(欧洲电信标准委员会)的GSM11.11等标准的规范。他沿袭了智能卡在安全中的特色，并在移动用户认证和移动商务中扮演重要的角色。

目前手机用户将一些重要的电话号码都储存在手机的SIM卡上。如果手机失窃，用户可以买一部新的，但是储存的号码怎么办呢?如果用户能事先将储存在SIM卡上的电话号码做一份电子拷贝，这样就算手机丢失了，用户还是可以很容易地将保存的号码写入到新的SIM卡里。为此，研究并设计了SIM卡读卡器，通过他可以将手机SIM卡中信息读取到电脑中，方便地实现电话簿和短消息的编辑、备份和管理。为经常使用手机的用户提供了一个经济、便捷的信息备份管理解决方案。

2 SIM卡常识

SIM卡是一张符合GSM规范"智能卡"，他实际上是一个装有微处理器的芯片卡，内部有5个模块，且每个模块都对应一个功能：CPU(8位)、程序存储器(3～8 kb)、工作存储器(6～16 kb)、数据存储器(128～256 kb)和串行通信单元。SIM卡能实现存储数据(电话本、短消息等)和在安全条件下(个人身份号码PIN、鉴权钥Ki正确)完成客户身份鉴权和客户信息加密算法的全过程。这些功能都是由SIM卡内的一部具有操作系统的微处理机完成。SIM卡具有机卡分离(SIM-ME接口)、通信安全可靠、成本低等特点。
(1) SIM卡的物理特征：可以分尺寸为54 mm×84 mmID-1 SIM(大卡)和尺寸为25 mm×15 mmPlug-in SIM(小卡)两种。
(2) SIM卡的存储容量：一般SIM卡有8 kB的存储容量，另外还有容量分别为16 k和32 k的SIM卡，即STK SIM卡。
(3) SIM卡的使用温度：标准温度-25～+70℃，极限温度-35～85℃，极限情况下每次使用不得超过4小时，总共使用不得超过100次。
(4) SIM卡的使用寿命：物理寿命是取决于客户的插拔次数，约在1万次左右；而集成电路芯片的寿命取决于数据存储器的写入次数，不同厂家
其指标有所不同，就Mo-torola经试验室试验约5万次左右。平均寿命约为4年。

3 SIM卡与移动台设备的接口

SIM卡芯片有8个触点，与移动台设备相互接通：
(1) 电源VCC(触点C1)：4.5～5.5 V，ICC<10 mA；
(2) 复位RST(触点C2)；
(3) 时钟CLK(触点C3)：卡时钟3.25 MHz；
(4) 不提供(触点C4)；
(5) 接地端GND(触点C5)；
(6) 编程电压VPP(触点C6)；
(7) 数据I／O口(触点C7)；
(8) 不提供(触点C8)。

SIM卡同移动台设备连接时至少需5个连接线：数据I／O口(Data)、复位(RST)、接地端(GND)、电源(VCC)、时钟(CLK)。他与基带单元的接口电路如图1所示。其中SIM CD为SIM卡检测脚，用于检测SIM卡的拔插；SIM CLK为ME提供的读／写SIM卡的参考时钟；SIMRST为SIM卡复位信号；SIM IO为串行数据输入／输出线，由20 kΩ上拉电阻上拉至高电平；SIM RnW为读／写控制信号，用以指示当前SIM_IO线上数据传输的方向；SIM PWCTRL为功率控制信号，可在空闲方式时控制SIM卡上的电源关闭，从而降低功耗，延长待机时间。

4 SIM卡内部数据结构

SIM卡共有3类数据文件：主文件(Master File，MF)、专用文件(Dedicate File，DF)、基本文件(ElementFile，EF)。组织结构规定如下：
0x3F00代表根目录，0x2FXX代表根目录下的基本文件；
0x7FXX代表一级子目录，0x6FXX代表一级子目录下的基本文件；
0x5FXX代表二级子目录，0x4FXX代表二级子目录下的基本文件。

5 SIM卡上电复位流程

SIM卡符合国际标准ISO7816的要求，按照协议中的规定，SIM应有8个触点，包括电源接口、复位控制接口、时钟输入接口、数据输入输出接口，SIM卡工作时整体电流消耗小于10 mA。SIM卡的时钟频率可由外部提供，在指定时问内运行鉴权过程时至少需要13／4 MHz的时钟频率，其他情况下，使用最小为13／8 MHz的时钟频率。I／O端口的数据传输波特率为时钟频率的1／372。

5.1 触点接通与冷复位时序(Activation and cold reset)

初始时，所有端口皆处于低电平(L)态，电压范围0～0.4 V；VCC电源电压先上电(H态)，后提供VPP编程电压，在智能SIM卡中，VPP端无用，电压范围5 V±0.4 V；VCC电源端稳定一段时间后，将IO端口置为接收方式(H态)，并提供稳定的CLK时钟信号(注：IO口需在提供CLK信号前或在提供CLK信号后200个时钟周期内(ta)置为接收方式)；RST复位信号需在提供CLK信号后400个时钟周期内(tb)保持L态，之后才可置为H态；提供复位信号后400～40 000个时钟周期内(tc)，I／O口有复位应答。