Телекомы / [Из песочницы] Общаемся с SIM-картой на низком уровне

f: не могу представить, как крусач может работать) Наши курсачи обычно пыляться где-то на полках
m: Вот у меня есть плата. К ней нужно подрубить сим-карту, и эта плата должна прочитать смс оттуда)
m: плата покупная, а вот программируем ее мы)
f: а нельзя смс с телефона прочитать?
— из жизни, орфография сохранена
Ну а если вам все-таки интересно узнать больше о сим-картах, протоколах передачи и их файловой структуре, прошу под кат. Ну и куда же без кода…
1. Введение

Начать стоит с того, что сим-карта является разновидностью смарт-карт, поэтому она полностью подчиняются стандарту ISO-7816. Я не буду говорить, какие выводы она имеет (об этом уже подробно говорили в предыдущей статье).
На процессор некоторых симок (если точнее — смарт-карт) можно подавать синхронизирующий сигнал до 20 МГц. Но ведь при включении симки терминал не знает ее параметров, поэтому общение начинается с, максимум, 4 МГц. Впоследствии, терминал узнает симку получше и может изменить параметры передачи.
К выводу I/O должен быть подключен pull-up резистор номиналом 20 КОм. В те моменты, когда терминалу и симке нечего сказать друг другу (т.е. они оба находятся в Z-состоянии) этот резистор обеспечит на выводе логическую единицу.
2. Активация/деактивация

Активация сим-карты и последующий cold reset

Диаграмма довольно проста, cold reset начинается с момента времени Та. Стоит лишь отметить, что I/O управляется здесь только симкой. Терминал должен игнорировать любой сигнал на нем, пока RST в нуле. После симка обязана дать ответ (Answer to reset).
Деактивация

Определенных рамок времени здесь нет, I/O также управляется симкой.
3. Протоколы передачи

У всех смарт-карт и, соответственно, сим-карт существует два типа протоколов передачи — побайтовый T0 и блочный T1. Я рассмотрю только Т0.
Сразу скажу, что T0 как две капли воды похож на UART (он используется в передаче по COM-порту). Но с небольшими оговорками. Начнем с самого начала.
Момент времени в протоколе T0 носит название элементарной единицы времени (etu), которая равна:
где F (коэффициент преобразования тактовых импульсов) и D (коэффициент регулирования скорости передачи битов) задаются исходя из ATR, а f – частота синхроимпульса для карты. По умолчанию, F = 372, а D = 1.
Передача на выводе I/O начинается с появлением стартового бита — спада с логической единицы. Время, отведенное каждому биту равно etu. Далее идут 8 битов данных, 1 бит четности и, как минимум, 2 стоповых бита. Временной отрезок между двумя стартовыми битами всегда должен быть больше или равен 12 etu и меньше или равен 9600 etu.
4. Answer to reset

Как я уже говорил, симка посылает ATR после cold reset’a. Именно в нем содержится информация с рекомендуемым значением частоты синхронизации, списком поддерживающих протоколов передачи и т.д.
Самый первый байт в ATR — TS. Он показывает, какое кодирование применяется – прямое или инверсное.
Прямое кодирование: если TS равен HHLH HHLL, то высокий уровень напряжения в цепи I/O кодирует логическую единицу, а момент времени 2 на рисунке кодирует наименьший значимый бит. При таком кодировании значение байта TS равно 0x3B.
Обратное кодирование: если TS равен HHLL LLLL, то низкий уровень напряжения в цепи I/O кодирует логическую единицу, а H – логический ноль. Момент времени 2 на рисунке кодирует наибольший значимый бит. При таком кодировании значение байта TS равно 0x3F.
Остальные байты содержат служебную информацию, например, рекомендуемые значения F и D, влияющие на значение etu.
5. Структура команд

Команды делятся на два типа: Command Transport Data Unit (C-TPDU) и Response Transport Data Unit (R-TPDU), т.е. команда и ответ на нее. Команды всегда составляют пару: на любую команду, переданную на карту, карта ответит R-TPDU. R-TPDU всегда заканчивается статусным байтом, характеризующим успешность команды.
Структура C-TPDU:

табл.1

Код

Длина

Описание

CLA

1

Класс инструкции

Заголовок

INS

1

Код инструкции

P1

1

Параметр инструкции 1

P2

1

Параметр инструкции 2

Lc

0 или 1

Количество байтов в поле Data

Data

Lc

Данные команды

Тело

Le

0 или 1

Максимальное количество байтов, ожидаемых в ответ

Не все карты могут сразу принять заголовок и тело команды, в таком случае нужно послать сначала заголовок, дождаться ответного статусного байта, а затем слать тело команды.
Стоит отметить, что если мы ошиблись в каком-либо параметре команды, симка сообщит об этом в статусном байте, но она имеет право проигнорировать команду, если та была абсолютно некорректна (например, состояла из одного байта).
Структура R-TPDU:

табл.2

Код

Длина

Описание

Data

Lr

Данные ответа

SW1

1

Статусный байт 1

SW2

1

Статусный байт 2

6. Файловая структура

Типы файлов:
1. Master file (MF) — корень.
2. Dedicated files (DF) — обыкновенные папки.
3. Elementary files (EF) делятся на:
— Transparent EF — состоят из последовательности байтов,
— Linear fixed EF — состоят из последовательности записей одинакового размера,
— Cyclic EF — тоже самое, но при достижении конца файла, следующая запись начинается с нулевой записи, по кругу.
7. Примеры команд

Попробуем прочитать и записать смс-сообщение, находящееся в файле EFSMS в папке DFTELECOM.
1) SELECT
До совершения операции над файлом необходимо сначала его выбрать. Вначале нужно выбрать папку DFTELECOM.
Отправка заголовка команды SELECT:
A0 A4 00 00 02
Ответ — статусный байт:
A4 (повторяет байт инструкции)
Отправка тела команды:
7F 10 (ID данной папки)
Схожим образом выбираем EFSMS.
2) READ RECORD
После того, как мы выбрали файл, содержащий все смс, можно попробовать прочитать одну из них.
Отправка заголовка команды READ RECORD:
A0 B2 01 04 B0 (01 — порядковый номер смс)
Ответ:
B2 07 07 91 97 62 92 90 90 F0 11 FF 04 81 21 43 00 08 FF 08 04 45 04 30 04 31 04 40 FF FF FF
FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF
FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF
FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF
FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF
FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF 90 00
Все, кроме первых и последних двух байтов (B2, 07, 90, 00) является записью сообщения. Разберем его.
табл.3

07

Длина номера смс-центра в байтах.

91

Тип номера смс-центра (в данном случае, он представлен в международном формате).

97 62 92 90 90 F0

Номер смс-центра — +7-926-290-90-90 (читать с конца байта). Символ F нужен для выравнивания.

11

Длина номера смс-центра.

04

Длина номера отправителя.

81

Тип номера отправителя.

21 43

Номер отправителя — 1234 (опять читать с конца байта).

00

Идентификатор протокола.

08

Кодировка (00 — только латиница, 08 — с кириллицей).

08

Длина сообщения в байтах.

04 45 04 30 04 31 04 40

Сообщение — «хабр». Кодируется в UTF-16.

Важно отметить, что когда в сообщении содержатся только латинские символы, используется особая 7-битная GSM кодировка.
Возьмем слово «hi».
табл.4

h

i

68

69

Смотрим в UTF-8.

0110 1000

0110 1001

Преобразуем в двоичный код.

1110 1000

0011 0100

Дополняем старший байт младшими битами следующего байта.

E8

34

Именно так будет выглядеть «hi» в 7-битной кодировке.

3) UPDATE RECORD
Отправка заголовка команды UPDATE RECORD:
A0 DC 02 04 B0 (02 — порядковый номер смс)
Ответ — статусный байт:
DC (повторяет байт инструкции)
Далее отправляется тело команды в соответствии с табл.3.
8. Программно-аппаратная реализация

В качестве аппаратной реализации была выбрана ПЛИС Altera DE1, т.к. курсач сдавать надо это замечательная плата для небольших проектов. Весь проект писали я и Breaknus, на VHDL и C. Среды разработок — Quartus II и Eclipse.
Разъем сим-карты припаян к пяти проводам IDE-шины. Плата имеет внутренние pull-up резисторы.
Краткая схема работы проекта:
Для ввода/вывода данных был собран NIOS II процессор. После ввода команды в консоли NIOS’а, она преобразуется в шестнадцатеричный код и передается побайтово в vhdl-блок. В этом блоке команда передается согласно протоколу T0 на I/O симки. После приема ответа блок передает его в NIOS, и ответ выводится в NIOS консоль. Активация/деактивация карты выбирается переключателем на плате. Нужные временные рамки для активации/деактивации, а также частота синхронизации карты обеспечиваются vhdl-блоком.Скачать проект
Благодарности

Хочу выразить благодарность Сухинину Борису Михайловичу. Именно он познакомил нас с миром ПЛИС на замечательных лабораторных и находил время отвечать на наши вопросы.
Полезная информация

1. ISO-7816 (Википедия)
2. ETSI TS 100 977 — Mobile Equipment (SIM-ME) Interface
3. ETSI TS 102 221 — UICC-Terminal interface