IC卡的應用越來越廣泛，從存儲卡到邏輯加密卡，目前CPU卡已經逐漸在應用中占據主導地位。CPU卡根據通訊協議可分為兩種：接觸式和非接觸式。接觸式CPU卡主要采用兩種通訊協議：T=0和T=1通訊協議。T=0是異步半雙工字符傳輸協議，T=1是異步半雙工塊傳輸協議。目前T=0通訊協議的應用較為廣泛，國內外大多數CPU卡都支持該協議，在金融交易中也采用這種通訊協議。為了便于說明問題，本文從T=0協議的功能出發，將該協議分為四個層次：物理層、數據鏈路層、終端傳輸層和應用層，見圖1。

由于該協議的特殊性，終端傳輸層與應用層聯系非常緊密，實現起來比較繁瑣，在CPU卡中，這些任務通過卡片操作系統（COS）來實現。終端在與卡的信息交換中，始終處于主動地位，終端向卡發送符合T=0協議的命令字節，卡中的COS完成對數據的處理并將處理結果返回給終端。下面對T=0協議的四個層次進行詳述。

1 T=0協議的物理層描述

終端與智能卡之間通過改變I/O傳輸線上的電平來交換信息。由于T=0協議是面向字符的傳輸協議，這里先定義字符幀的結構，并對組成字符幀位的信息表示作了具體描述。字符幀的結構如圖2所示。

字符幀由1個起始位S、8個數據位和1個偶校驗位P共10位組成。在數據傳輸中每一位的持續時間稱為基本時間單元etu(elementary time unit)，etu的值由時鐘頻率決定，etu與時鐘頻率呈現性關系：

1etu=(F/D) ×(1/f)    （1）

其中F稱為時鐘頻率轉換因子，D稱為波特率調整因子。時鐘頻率的范圍為1MHz～5MHz，正常的工作頻率為3.57MHz，數據傳輸的波特率采用9600bps，根據國際標準的取值范圍，取F=372，D=1，代入式（1），可得：

1etu=372/f=372     （2）

即一個基本時間單元為372個時鐘周期。將工作頻率定為3.57MHz，可以保證數據傳輸的波特率為9600bps。如果要提高數據的傳輸率，可以調整參數F來確定傳輸率。對每一位電平采用三次采樣來確定，在位持續時間的中間和左右15%的間隔各取樣一次，取樣點如圖3所示。當有兩次以上電平為低，則判斷該位為0；否則該位為1，這樣確保了取樣值的可靠性。由于數據位的持續時間是用匯編語句來控制的，可以通過延時語句調整采樣的時間間隔。但實現采樣的最基本匯編語句的執行時間不能再縮短，因此數據傳輸率有一上限。當每一位取樣三次時，數據傳輸率最高可達到57600bps。如果再提高速率，取樣時序將無法保證。字符幀的起始位為低電平，起始位的檢測是通過周期性地對I/O傳輸線進行采樣來得到。國際標準中規定采樣時間間隔不得大于0.2etu，實際上起始位的采樣時間間隔只有幾個時鐘周期，完全滿足要求。

2 T=0協議的數據鏈路層實現

數據鏈路層描述了字符交換的時序要求和差錯控制以及終端對面向傳輸的錯誤的處理，在邏輯上保證終端和卡片之間能夠正確可靠地通訊。

采用上述的字符幀，終端與卡之間進行數據將交換，字符之間有嚴格的時序，時序是通過匯編程序語句的執行時間來控制的。從終端到卡發送的連續字符的起始位下降沿之間的最小時間間隔由復位應答信息通知終端，其值在12etu～266etu之間。從卡發送到終端的連續字符的起始位下降沿之間的最小時間間隔應為12etu。

如果字符接收不正確或字符接收正確但校驗位不正確，接收端需要在字符起始位下降沿后的（10.5±0.2個etu時刻將I/O線置為低電平約1～2個etu，見圖4，用于向發送端指明錯誤；發送端在（11±0.2）個etu時刻檢測I/O線。如為高電平則表示字符已經正確接收；如果發送端檢測到錯誤，則在檢測到錯誤那一刻起，2個etu后重發該字符，但重復發送同一字符的次數不得超過3次。如果最后一次發送失敗，當終端是接收端時，則終端應該在無效字符的起始位下降沿后的960個etu時間范圍內啟動釋放序列；當終端是發送端時，在卡片檢測到字符的偶校驗錯誤后960個etu時間范圍內，終端啟動釋放序列。

命令的執行總是由終端應用層（TAL）啟動，通過終端傳輸層（TTL）送給卡片。TTL與卡片進行命令字節和數據字節交換時，要保證能夠有序正確地進行。因此，在數據交換過程中，在任何時刻TTL和卡片都應該隱含地知道哪一方是發送者，哪一方是接收者。當卡片接收到5個字節的命令字節后，需要向TTL返回一個過程字節或兩個字節的狀態字節，具體含義如表1、表2所示。

表1 終端對過程字節的處理

表2 卡返回的狀態字節編碼

當返回的過程字節或狀態字節均不是表中規定的值時，終端在接收到的無效字符的起始位降沿開始的9600個etu時間范圍內啟動釋放序列。

3 T=0協議的終端傳輸層和應用層的實現

數據鏈路層保證了TTL與卡片正常的數據交換。在此基礎上，TTL定義了命令和響應APDU（Application Protocol Data Unit）通過TTL和卡片之間的數據傳輸機制，因此該層協議定義了APDU到TPDU（Transport Protocol Data Unit）的映射機制以及TPDU和卡片之間如何來完成數據的交換。根據命令和響應APDU包含的數據情況，共有四種不同的APDU，TTL應能夠對四種情況進行處理，完成終端和卡之間的數據交換。由于T=0協議的特殊性，終端傳輸層和應用層并沒有完全隔離開。為了便于說明問題，先簡要描述一下應用層，然后將終端傳輸層和應用層結合起來進行說明。

應用層協議定義了C-APDU和R-APDU的具體結構。應用層之間的數據交換都是由一個命令-響應對完成的，TAL通過TTL將C-APDU送給集成電路卡（ICC），ICC處理完后將處理結果組成R-APDU通過TTL送給TAL。APDU由命令報文和響應報文共同組成，根據C-APDU和R-APDU是否包含數據域，APDU有四種情況，見表3。

表3 APDU包含數據的情況

C-APDU由一個強制性的四字節命令頭CLA、INS、P1、P2和一個可變長度的條件體組成。CLA為命令類型字節；INS為命令代碼字節；P1和P2為命令參數；條件體包括命令數據域長度字節Lc，命令數據域和響應返回的最大長度字節Le。根據不同的命令，條件體的組成也不相同，C-APDU有四種情況，見表4。

表4 C-APDU的結構

R-APDU由一個最大長度為Le的數據域和一個強制性的兩字節狀態代碼組成，狀態代碼給出了IC卡對當前命令的處理結果。

對于C-APDU，終端先將其映射成T=0傳輸層的格式，然后通過TTL傳送給卡片，卡片返回的數據和狀態先返回給TTL，再映射成R-APDU返回給TAL。這里根據四種不同的情況，分析了C-APDU到C-TPDU以及R-APDU到R-TPDU的映射方法，并對情況2和情況4時，如何使用GET RESPONSE命令進行了說明。C-APDU到C-TPDU的映射根據命令的情況決定，卡片返回的數據和狀態到R-APDU的映射要根據返回數據的長度來判斷。對于卡片返回的過程字節“61xx”和“6Cxx”，將用于TTL和卡片之間進行數據交換，當卡片返回“61xx”時，表示命令沒有結束，TTL不將過程字節返回給TAL，而是從TTL直接向卡片發出GET RESPONSE命令，取回上一條命令應該返回的數據。并返回給TAL。當卡片返回“6Cxx”時，TTL將根據“xx”的值調整并重發上一條命令。下面分別對四種命令情況進行分析。

（1）當C-APDU和R-APDU均不含有數據時，將C-APDU的CLA、INS、P1、P2映射為C-TPDU的CLA、INS、P1、P2、C-TPDU的P3置為“00”，卡片接收到C-TPDU后，根據命令頭決定該命令所含數據的情況。TTL接收到卡片返回的狀態后，該命令完成，TTL將狀態字節強制性地加到R-APDU的尾部。

（2）當C-APDU不含有數據而R-APDU含有數據時，將C-APDU的CLA、INS、P1、P2、Le映射為C-TPDU的CLA、INS、P1、P2、P3，其中P3可以置為“00”，也可以置為需要返回的數據字節數，卡片接收到C-TPDU后，如果命令處理失敗，卡片直接將狀態代碼通過TTL返回給TAL；當命令能夠正常處理時，如果P3指定的字節數能夠正確返回，待卡片內部應用數據處理完成后，這時卡片首先返回給TTL該命令的過程字節，通知TTL準備接收卡片數據緩沖區中的數據，然后卡片直接將P3字節的數據和狀態字節通過TTL返回給TAL，否則，卡片只將過程字節“6Cxx”或“61xx”返回給TTL這一層。當過程字節為“6Cxx”時，TTL根據xx重發命令取回數據，當過程字節為“61xx”時，TTL發GET RESPONSE命令取回數據。

（3）當C-APDU含有數據而R-APDU不含數據時，將C-APDU的CLA、INS、P1、PS、Lc映射為C-TPDU的CLA、INS、P1、P2、P3，待卡片對C-TPDU檢查通過后，卡片直接將過程字節返回給TTL，TTL根據返回的過程字節繼續向卡片發送P3字節的后續數據。待數據接收完后，卡片對應用數據進行處理，然后將處理結果以狀態字節的方式通過TTL返回給TAL。

（4）當C-APDU和R-APDU均含有數據時，將C-APDU的CLA、P1、P2、Lc映射為C-TPDU的CLA、INS，P1、P2、P3，待卡片對C-TPDU檢查通過后，卡片直接將過程字節返回給TTL，TTL根據返回的過程字節繼續向卡片發送P3字節的后續數據。待數據接收完后，卡片對應用數據進行處理，如果命令處理失敗，卡片直接將狀態代碼返回給TTL。當命令正常處理時，卡片返回給TTL過程字節“6Cxx”或“61xx”，當為“6Cxx”時，TTL根據xx重發命令取回數據。當過程字節為“61xx”時，TTL發GET RESPONSE命令取回數據。

（1）由于T=0協議字符級檢錯重發，與面向塊的傳輸協議T=1相比，在出現傳輸錯誤時，T=0協議可以不必整個數據報文全部重發，節省了時間。

（2）在編程過程中，對位幀進行采樣時，采用了三次采樣判決的方式，避免了由于采樣時的偶然誤差而造成誤碼。

（3）T=0協議是應用于智能卡中的第一個接觸式通訊協議，但該協議并沒有考慮傳輸中斷和檢測到傳輸錯誤碼后卡和讀寫器的再同步問題。唯一的檢錯機制就是奇偶位校驗。對錯誤的處理就是對出錯的字節重新發送一次，這樣極有可能導致無限次的循環狀態。

（4）T=0協議并沒有與應用層完全分割開，應用層的命令解釋器必須告訴傳輸層當前命令是接收還是發送數據。由于這個原因，這兩個模塊在命令處理過程中需要交互操作，在程序中能夠提取出一個通用的傳輸層，供應用層調用來負責完成數據的傳輸。這種情況給編程和調試帶來了不便。同時造成模塊的可重用性較差。

    （5）對于命令報文中包含數據域，同時又需要卡片返回數據的命令，T=0協議不能用一條命令來實現，必須分為兩步實現：第一條命令為卡片提供數據，然后用另外一條相關的命令來取回數據。這樣給卡片的編程帶來很大麻煩，同時卡片內存中必須保留上一次操作需要返回的數據。這時如果不及時發送取數據命令而發送其它命令，可能會將敏感數據泄漏，并產生其它問題。這些都是T=0協議考慮不周的地方。

（6）終端傳輸層需要根據卡片返回的子程字節和狀態字節執行相應的操作，使終端對數據的處理復雜化。

（7）由于目前大多數接觸式終端只支持T=0通訊協議，因此該協議仍將得到廣泛的應用。隨著智能卡芯片功能的增強，對于數據傳輸量較大的應用，該協議將不再適用，面向塊的異步半雙工接觸式傳輸協議T=1將體現出優勢.