DE19742459C2 - Einrichtung für den Betrieb einer Chipkarte und den Datenaustausch zwischen einer Chipkarte und einem mikroprozessorgestützten System - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung für den Betrieb einer Chipkarte und den Datenaustausch zwischen einer Chipkarte und einem mikroprozessorgestützten System, beispielsweise ein Personal Computer, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Mit einem mikroprozessorgestützten System ist jedes System gemeint, das einen Mikroprozessor enthält, also auch ein System mit Mikrokontroller oder ein Personal Computer.

Hintergrund der Erfindung

Chipkarten haben in den letzten Jahren als Bank- und Kreditkarten, Identifizierungs- und Zugangsberechtigungskarten im Mobilfunkbereich (GSM-Karten, Global System of Mobile Communication), Krankenversichertenkarten, Telefonkarten sowie in vielen weiteren Bereichen eine starke Verbreitung gefunden.

Zur Kommunikation mit sogenannten Kartenschreib-/Lesegeräten weisen die Chipkarten auf dem Kartenkörper metallische Kontaktflächen auf, die mit dem Chip (Mikroprozessorchip oder Speicherchip mit Logikeinheit) in der Karte verbunden sind. Das Kartenschreib- /Lesegerät weist nun seinerseits eine Kontaktiereinheit mit Kontakten auf, die zu den Kontaktflächen der Chipkarte korrespondieren, wobei nach dem Einführen der Karte in das Kartenschreib-/Lesegerät die Kontakte und die Kontaktflächen in eine elektrisch leitende Verbindung gebracht werden. Dabei ist eine Kontaktfläche für die Zuführung der Versorgungsspannung (VCC), eine für die Referenzspannung/Masse (GND), eine für die Zuführung der Taktfrequenz (CLK), eine für den seriellen Datenaustausch (I/O) und eine für die Reset-Leitung (RST) vorgesehen.

Aus Gründen der Standardisierung sind sowohl die Abmessungen der Karte, die Lage der Kontaktflächen wie auch die elektrischen Signale von und zur Chipkarte einschließlich der Datenübertragung genormt (ISO 7810, 7816-2, 7816-3).

Neben den oben genannten fünf Kontaktflächen ist in den Normen eine Kontaktfläche für die Zuführung einer Programmierspannung vorgesehen, die jedoch bei den meisten Chipkarten nicht mehr benötigt wird, da bei diesen die Programmierspannung intern im Chip selbst aus der Versorgungsspannung generiert wird. Desweiteren sind zwei Kontaktflächen für künftige Anwendungen vorgesehen.

Der Datenaustausch zwischen Chipkarte und Kartenschreib-/Lesegerät erfolgt bei Speicherkarten synchron, während er bei Mikroprozessorkarten asynchron erfolgt. Für die asynchrone Datenübertragung sind zwei Protokolle (T = 0 und T = 1) genormt, wobei das eine (T = 0) byteorientiert und das andere (T = 1) blockorientiert ist.

Stand der Technik

Aus der US 4,767,920 ist ein Kartenschreib-/Lesegerät für Chipkarten bekannt, über das die Kommunikation zwischen einem Computer bzw. ganz allgemein einem mikroprozessorgestützten System und einer Chipkarte ermöglicht wird. Das Kartenschreib- /Lesegerät weist neben der Kontaktiereinheit zur Ansteuerung und Versorgung der Chipkarte und zum Datenaustausch mit der Chipkarte mehrere, diskrete Komponenten auf.

Unter anderem:

• - einen eigenen Mikroprozessor zum Empfang und zur Weiterleitung der von der Chipkarte seriell gesendeten Daten an das mikroprozessorgestützte System bzw. zum Empfang und zur Weiterleitung der von dem mikroprozessorgestützten System gesendeten Daten an die Chipkarte, wobei jeweils das anzuwendende Kommunikationsprotokoll als Steuerprogramm in dem Mikroprozessor des Kartenschreib-/Lesegerätes gespeichert ist,
• - einen Schaltkreis zur Erzeugung der Versorgungsspannung (VCC) für die Chipkarte,
• - einen Schaltkreis zur Erzeugung des Taktsignales für die Chipkarte aus dem Takt eines ebenfalls in dem Kartenschreib-/Lesegerät angeordneten Schwingquarzoszillators.

Nachteilig hierbei ist, daß die Geschwindigkeit der Kommunikation zwischen dem mikroprozessorgestützten System und der Chipkarte unter Zwischenschaltung eines Mikroprozessors im Kartenschreib-/Lesegerät relativ langsam ist, da in dem Mikroprozessor des Kartenschreib-/Lesegerätes für den Datentransfer von und zur Chipkarte zur Umsetzung des entsprechenden Kommunikationsprotokolls (z. B. T = 0) ein Programm, welches in dem Mikroprozessor des Kartenschreib-/Lesegerätes gespeichert ist, unter sequentieller Abarbeitung der einzelnen Befehlsschritte ausgeführt werden muß. Außerdem ist die Integration eines solchen Kartenschreib-/Lesegerätes, das einen Mikroprozessor enthält, in ein mikroprozessorgestütztes System sehr aufwendig, da es voraussetzt, daß die Personen, die die Integration vorzunehmen haben, genaue Kenntnisse über den Mikroprozessor-Typ in dem Kartenschreib-/Lesegerät und die Art der Ansteuerung und Kommunikation mit diesem Mikroprozesssor-Typ haben müssen. Dies wird insbesondere dadurch erschwert, daß die Hersteller und Anbieter von mikroprozessorgestützten Systemen und die Hersteller und Anbieter von Kartenschreib-/Lesegeräten nicht identisch sind und die eingesetzten Mikroprozessor-Typen im mikroprozessorgestützten System und im Kartenschreib-/Lesegerät in der Regel nicht die gleichen sind. Ein Beispiel hierfür wäre eine Firma, die ein Arbeitszeiterfassungssystem auf einem Personal-Computer anbietet und nun Mitarbeiterausweise in Form von Chipkarten zur Zeiterfassung in ihr System einbinden will, und aus diesem Grunde ein entsprechendes Kartenschreib-/Lesegerät (Interface), das nicht selbst entwickelt werden soll, in ihr System integrieren muß.

Darüber hinaus ist aus der US 4,767,918 ein Kartenschreib-/Lesegerät bekannt, bei dem - wie beim Kartenschreib-/Lesegerät gemäß US 4,767,920 - der Taktgenerator integriert ist und sich somit in unmittelbarer Nähe der Kontaktiereinheit befindet. Damit wird ein Übersprechen von der hochfrequenten Taktsignalleitung auf die anderen Leitungen vermieden. Der Ausgang dieses Taktgenerators liefert ein festes Frequenzsignal, das über die Kontaktiereinheit der Chipkarte als Taktsignal unmittelbar zugeführt wird. Flexibilität hinsichtlich der Frequenz des Taktsignals ist nicht gegeben.

Das Kartenschreib-/Lesegerät gemäß US 4,767,918 weist lediglich Schaltkreise zur elektrischen Versorgung der Kontaktiereinheit auf. Die Einschaltreihenfolge bestimmter Signale sowie das Senden und Empfangen von Daten zur und von der Chipkarte erfordert für jeden einzelnen Schritt - selbst auf der untersten Schicht des Kommunikationsprotokolls - die Aktivität einer externen, mikroprozessorgestützten Kontrolleinheit. Aus Sicht der externen, mikroprozessorgestützten Kontrolleinheit (und aus Sicht desjenigen, der diese programmieren muß) enthält die in dem Kartenschreib-/Lesegerät gemäß US 4,767,918 enthaltende Elektronik lediglich einzeln über entsprechende Ports anzusteuernde Treiberbauelemente. Der Programmierer muß jeden einzelnen Schritt in der Ansteuerung und Kommunikation mit der Chipkarte durch einen Software-Befehl umsetzen. Das Kartenschreib- und/Lesegerät gemäß US 4,767,918 bietet ihm hinsichtlich der Umsetzung bestimmter Ansteuer- und Kommunikationsschritte keine Entlastung.

Aus diesem Grunde ist die Integration eines Kartenschreib- und/Lesegerätes gemäß US 4,767,918 in ein mikroprozessorgestütztes Systems (z. B. mikroprozessorgestützte Arbeitszeiterfassungssysteme), das über eine Schnittstelle mit einen definierten Schnittstellen- Protokoll verfügt, schwierig und aufwendig. Außerdem wäre der Mikroprozessor des mikroprozessorgestützten Systems extensiv mit der Abarbeitung von Software zur Ansteuerung des Kartenschreib- und/Lesegerät gemäß US 4,767,918 beschäftigt, wodurch weniger Prozessorkapazität für die eigentlichen Aufgaben dieses Mikroprozessors (z. B. Verwaltung von Arbeitsplatzdaten) zur Verfügung steht. Infolge der Belastung des Mikroprozessors des mikroprozessorgestützten Systems wird die Kommunikation zwischen der Chipkarte und dem mikroprozessorgestützten System verlangsamt.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Einrichtung für den Betrieb einer Chipkarte und den Datenaustausch zwischen einer Chipkarte und einem mikroprozessorgestützten System zu schaffen, die in einfacher Weise in mikroprozessorgestützte Systeme zu integrieren ist und eine Entlastung für den Mikroprozessor des mikroprozessorgestützten Systems erbringen soll. Darüber hinaus soll die Einrichtung flexibel sein in Bezug auf das Taktsignal für die Chipkarte.

Lösung der Aufgabe

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Diese Einrichtung weist einen Schnittstellen-Schaltkreis zur Kommunikation mit der Schnittstelle des mikroprozessorgestützten Systems auf, der mit den Steuer-, Daten- und/oder Adressleitungen der Schnittstelle des mikroprozessorgestützten Systems und mit ebenfalls in der Einrichtung vorhandenen Registern und/oder Speichern verbunden ist. Dabei steuert dieser Schaltkreis als Schnittstellen-Protokoll-Konverter einerseits in Abhängigkeit der von dem mikroprozessorgestützten System gesendeten Steuer-, Daten- und/oder Adressignale die Register und/oder Speicher an, während er andererseits gesteuert durch die Register- und/oder Speicherinhalte an das mikroprozessorgestützte System zu sendende Steuer- und Datensignale generiert.

Ferner ist die Einrichtung erfindungsgemäß dadurch einen Schaltkreis zur Kommunikation mit der Chipkarte gekennzeichnet, der mit den Registern und/oder Speichern und mit den Kontakten der Kontaktiereinheit verbunden ist, wobei dieser Schaltkreis als Chipkarten- Kommunikations-Protokoll-Konverter einerseits gesteuert durch die Register- und/oder Speicherinhalte die Kommunikation mit der Chipkarte ausführt, und andererseits in Abhängigkeit von der Kommunikation mit der Chipkarte die Register und/oder Speicher ansteuert.

Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Einrichtung einen Schaltkreis zur Erzeugung eines Taktsignals auf, der aus einem Takt eines externen Schwingquarzoszillators ein hinsichtlich der Taktfrequenz modifiziertes Taktsignal für die Chipkarte erzeugt.

Damit kann nun die Chipkarte von dem mikroprozessorgestützten System unmittelbar über die erfindungsgemäße Einrichtung als periphere Schnittstellen-Einheit ohne Zwischenschaltung eines weiteren Mikroprozessors angesteuert werden. Die erfindungsgemäße Einrichtung stellt somit eine hardwaremäßige Unterstützung (Hardware- Protokollkonverter) für das mikroprozessorgestützte System dar, wobei bestimmte, zeitkritische Abläufe (untere Schichten des jeweils verwendeten Kommunikationsprotokolls) in der Kommunikation mit der Chipkarte nun nicht mehr durch Software, sondern durch einen fest definierten ("fest verdrahteten") Schaltkreis realisiert werden, der in Abhängigkeit bestimmter Eingangssignale nur noch vorbestimmte Schaltungsfolgen ausführt. Lediglich nicht so zeitkritische Abläufe (obere Schicht des Kommunikationsprotokolls) werden softwaremäßig im mikroprozessorgestützten System umgesetzt. Hierdurch wird der Mikroprozessor des mikroprozessorgestützten Systems wesentlich entlastet, wodurch auch die Kommunikation zwischen der Chipkarte und dem mikroprozessorgestützten System beschleunigt wird.

Die erfindungsgemäße Einrichtung ist wesentlich einfacher in ein mikroprozessorgestütztes System zu integrieren als ein Kartenschreib-/und Lesegerät mit einem eigenen Mikroprozessor, da es nicht notwendig ist, daß diejenigen, die Integration durchzuführen haben und die sich zwar mit ihrem eigenen mikroprozessorgestützten System auskennen, sich auch noch in einen für sie fremden Mikroprozessor-Typ einarbeiten müssen. Vielmehr ist es vorgesehen, daß für die erfindungsgemäße Einrichtung für verschiedene mikroprozessorgestützte Systeme eine Software-Library zur Installation auf dem mikroprozessorgestützten System zur Ansteuerung der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Verfügung gestellt wird. Diese Software-Library umfaßt vorzugsweise verschiedene Kommunikationsprotokolle. Damit ist die erfindungsgemäße Einrichtung universell für verschiedene mikroprozessorgestützte Systeme einsetzbar.

Außerdem ist die erfindungsgemäße Einrichtung flexibel hinsichtlich der Variation der Frequenz des Taktsignals.

In besonders vorteilhafter Weise ist die erfindungsgemäße Einrichtung als monolithischer Schnittstellen-Halbleiterbaustein in Form eines applikationsspezifischen, integrierten Schaltkreises, eines sogenannten ASIC (Abk. für den Ausdruck: Application Specific Integrated Circuit), ausgebildet. Der Schnittstellen-Halbleiterbaustein ist bevorzugt in CMOS- Technologie realisiert, um einen niedrigen Leistungsverbrauch zu gewährleisten.

Insbesondere durch den Wegfall des Mikroprozessors und aufgrund der Integration der verschiedenen Komponenten auf einem monolithischen Halbleiterbaustein stellt die erfindungsgemäße Einrichtung eine, gerade bei großen Stückzahlen, kostengünstige Lösung dar. Durch den Wegfall des Mikroprozessors reduziert sich auch die benötigte Chipfläche für den monolithischen Schnittstellen-Baustein, was wiederum die Kosten senkt.

Außerdem erbringt die Integration verschiedener Komponenten auf einem monolithischen Halbleiterbaustein gegenüber diskret auf einer Platine aufgebauten Schaltungen eine erhebliche Platzeinsparung, die neue Möglichkeiten bei der Konstruktion von Endgeräten eröffnet.

Besonderes hervorgehoben werden soll noch, daß auf dem monolithischen Schnittstellen- Baustein sowohl digitale als auch analoge Schaltkreise/Funkktionen realisiert sein können. So ist auf dem monolithischen Halbleiterbaustein auch ein analoger Schaltkreis zur Generierung und Kontrolle der Versorgungsspannung für die Chipkarte vorgesehen. Es ist jedoch auch nur eine rein digitale Schaltung zur Kontrolle der Versorgungspannung, die extern durch eine analoge Schaltung realisiert wird vorgesehen.

Die erfindungsgemäße Einrichtung ist beispielsweise vorgesehen für den Einbau in Kartenschreib-/Lesegeräte, die mit einem mikroprozessorgestützten System verbunden werden, oder für den Einbau in tragbare, mikroprozessorgestützte Endgeräte, die einen Karteneingabeschlitz und eine Kontaktiereinheit umfassen, z. B. mobile Kartenleser für Krankenversichertenkarten, wo der darin enthaltene Mikroprozessor/Controller einerseits über die erfindungsgemäße Einrichtung mit der Chipkarte kommuniziert und andererseits in der Lage ist, andere Funktionen zu erfüllen: Speicherung und Verarbeitung der Kartendaten, Ansteuerung von Tastatur und Display etc. Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Einrichtung aber auch in stationären mikroprozessorgestützten Systemen (z. B. Bankautomaten, Verkaufsautomaten), in denen ein Kartenschreib-/Lesegerät integriert ist, zur Anwendung kommen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Anhand der beigefügten Zeichnungen soll die erfindungsgemäße Einrichtung nachfolgend näher erläutert werden.

In Fig. 1 ist schematisch ein mikroprozessorgestütztes System (2), ein Kartenschreib- /Lesegerät (3) mit Kontaktiereinheit (31) und eine in die Kontaktiereinheit (31) einzuführende Chipkarte (1) mit ihren Kontaktflächen (1A) gezeigt. Das mikroprozessorgestützte System (2) ist vorzugsweise über eine parallele, bidirektionale Schnittstelle mit der erfindungsgemäßen Einrichtung (30), vorzugsweise in Form eines monolithischen Schnittstellen- Halbleiterbausteins, der sich in dem Kartenschreib-/Lesegerät (3) befindet, verbunden; zu diesem Zweck befindet sich zwischen dem mikroprozessorgestützten System (2) und dem Kartenschreib-/Lesegerät (3) ein mehradriges Schnittstellenkabel (20). In dem Kartenschreib- /Lesegerät (3) befindet sich neben der erfindungsgemäßen Einrichtung (30) ein Schwingquarzoszillator (32) und eine Leistungsversorgungseinheit (33, Netzteil, Batterie oder ein wiederaufladbarer Akkumulator).

In dem monolithischen Schnittstellen-Halbleiterbaustein (30) ist ein Schaltkreis (30A) zur Kommunikation mit dem mikroprozessorgestützten System (2) und ein Schaltkreis (30B) zur Kommunikation mit der Chipkarte (1) integriert, der die Kommunikation gemäß den von dem mikroprozessorgestützten System (2) empfangenen Daten und Steueranweisungen ermöglicht. Darüber hinaus ist in dem monolithischen Schnittstellen-Halbleiterbaustein (30) ein Schaltkreis (30D) zur Generierung der Versorgungsspannung (VCC) für die Chipkarte (1) und ein Schaltkreis (30C) zur Generierung des Taktsignals (CLK) für die Chipkarte (1) integriert.

Der Schaltkreis (30A) umfaßt in einer Ausführungsform eine parallele, bidirektionale Schnittstelle. In besonders vorteilhafter Weise umfaßt der Schaltkreis (30A) einen Pufferspeicherbereich, insbesondere einen nach dem First In First Out (FIFO)-Prinzip, zur Zwischenspeicherung von Daten und Steueranweisungen. Dies verhindert Datenverluste und schafft somit einen zuverlässigen Betrieb, auch wenn das mikroprozessorgestützte System noch mit anderen Dingen beschäftigt ist. Eine derartige Schnittstelle ist den Fachleuten unter Abk. ECP (Extended Capability Port, gemäß der Norm IEEE 1284) bekannt und mittlerweile zu einem Standard geworden.

In einer zweiten Ausführungsform umfaßt der Schaltkreis (30A) eine sogenannte µP-Bus- Schnittstelle.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind sowohl die oben genannte ECP- als auch die µP- Bus-Schnittstelle in der erfindungsgemäßen Einrichtung (30) integriert. Die Selektion der gewählten Schnittstellenbetriebsart erfolgt dann über die Steuerleitung S₀ (siehe Fig. 2 und Fig. 3). Je nach dem welche Betriebsart ausgewählt ist, wird der Schnittstellenbaustein (30) zur Unterstützung der ausgewählten Betriebsart entsprechend umkonfiguriert, wobei sich die Funktionalität der Steuerleitungen (S, S*) ändert.

Zur Veranschaulichung ist jeweils in Fig. 3A und 3B das zeitliche Zustandsdiagramm für die Steuer-/Signalleitungen (S, S*) für den Fall des Schreibzugriffs des mikroprozessorgestützten System (2) auf den Schnittstellen-Baustein (30) gezeigt. Diese Diagramme und die Nomenklatur der Signalleitungen sind dem Fachmann geläufig.

Darüber hinaus ist es vorgesehen, daß eine parallele Schnittstelle des mikroprozessorgestützten Systems (2) mehrere der erfindungsgemäßen Schnittstellen- Einheiten (30) angeschlossen werden können. Die Selektion einer bestimmten Schnittstellen- Einheit (30) erfolgt dann über eine Identifizierungsnummer (sogenannte Device-ID).

In einer alternativen Ausführungsform umfaßt der Schaltkreis (30A) eine serielle Schnittstelle.

Fig. 2 zeigt eine detailliertere Darstellung der erfindungsgemäßen Schnittstellen-Einheit (30). Diese umfaßt eine je nach Schnittstellen-Betriebsart umkonfigurierbare Steuereinheit, welche die Kommunikation mit dem mikroprozessorgestützten System (2) regelt. Über ein Adressregister wird in Verbindung mit einem Adressdekoder ausgewählt, welches Register (Timer, Interrupt-Maskenregister, Interruptregister, Statusregister, Steuerregister, Moderegister) von dem mikroprozessorgestützten System gelesen oder beschrieben soll. Diese Register sind über ein internes Bussystem wiederum mit einem UART (Universal Asynchronus Receiver/Transmitter) verbunden, der die Parallel/Seriell-Wandlung der Daten von und zur Chipkarte durchführt. Vorzugsweise weist dieser UART einen Schaltkreis zur Fehlererkennung bzgl. der auszutauschenden Datenbits unter Verwendung eines Paritätsbits auf.

Im Interruptregister werden Ereignisse abgespeichert, die einen Interrupt auslösen können sollen; zum Beispiel eine Überschreitung des Stroms auf der Vcc-Leitung zur Chipkarte oder die Tatsache, ob eine Karte gesteckt ist oder gezogen. Im Interrupt-Maskenregister kann durch eine Maskierung festgelegt werden, welche der im Interruptregister tatsächlich für Interrupts benutzt werden.

Im Statusregister werden beispielsweise der Zustand der Versorgungsleitung (VCC) zur Chipkarte (1) oder das Auftreten eines Paritätsfehlers bei der Datenübertragung abgespeichert.

Im Steuerregister wird beispielsweise die Konvention der Datenübertragung bzgl. der Zuordnung der logischen Zustände (1,0) zu den Spannungspegeln (High, Lob) definiert.

Der Kartentaktgenerator erzeugt aus dem von außen angelegten Takt eines Schwingquarzoszillators (32) das Taktsignal für die Chipkarte (CLK). Hierfür wird die Frequenz des vom Schwingquarzoszillator (32) gelieferten Taktes geteilt. Die erfindungsgemäße Einrichtung (30) sieht als Teilungsfaktoren die Zahlen 2 bis 31 vor. Der zulässige Bereich für den von außen gelieferten Takt des Schwingquarzoszillator (32) ist 1 Mhz bis 32 MHz; ein typischer Wert sind 29,4 MHz. Damit ist die erfindungsgemäße Einrichtung (30) sehr flexibel hinsichtlich der Variation der Frequenz des Taktsignales (CLK) für die Chipkarte (1). Beispielsweise ergibt sich bei einem Schwingquarzoszillator (32) mit 29,4 MHz und einem Teilungsfaktor von 8 eine Frequenz für das Chipkartentaktsignal (CLK) von 3.675 MHz.

Aus dem Chipkartentaktsignal (CLK) und der dazu gehörigen Frequenz, die wie vorstehend erläutert mit der erfindungsgemäßen Einrichtung (30) ebenfalls programmierbar ist, wird nun die Datenübertragungsrate für den Datentransfer von und zur Chipkarte (1) abgeleitet. Hierzu muß man wissen, daß in einer Mikroprozessor-Chipkarte (1) wiederum ein Teilungsfaktor enthalten ist, der die Anzahl der Takte (CLK) pro Bit angibt, woraus sich die Zeitdauer für ein Bit (elementary time unit, etu) ergibt. Die erfindungsgemäße Einrichtung (30) ist nun sogar in der Lage Chipkarten (1) zu unterstützen, in denen mehr als ein Teilungsfaktor zur Generierung unterschiedlicher Übertragungsraten (entspricht unterschiedlichen ETU's) enthalten ist. Die Chipkarte (1) teilt dabei nach einem Reset in einem sogenannten ATR (Answer To Reset, siehe oben genannte Normen) dem Schnittstellen-Baustein mit, welche Teilungsfaktoren möglich sind. In einem nachgeschalteten Protokoll-Selektionsverfahren (PTS, Protocol Type Selection) verständigen sich die Chipkarte (1) und der Schnittstellen- Baustein (30) auf einen gemeinsamen Teilungsfaktor, vorzugsweise auf den kleinsten möglichen, der folglich die höchste Übertragungsrate erbringt. Der Schnittstellen-Baustein (30) unterstützt die Teilungsfaktoren von 1 bis 2047. Zu Beginn ist der Teilungsfaktor 372 aktiviert, da mit diesem auch der ATR von der Chipkarte (1) gesendet wird, in dem diese erst mitteilt, welche weiteren Teilungsfaktoren möglich sind. Die erfindungsgemäße Einrichtung (30) ist somit auch hinsichtlich der möglichen Übertragungsraten sehr flexibel.

Bei synchronen Karten werden der Chipkartentakt (CLK) und die Datenübertragung auf der I/O-Leitung (Setzten der entsprechenden Pegel) unmittelbar über das Signalregister bewirkt, wozu die Multiplexer M1 und M2 entsprechend geschaltet werden. Bei asynchronen Karten (Chipkartenprotokolle T = 0) und T01) läuft die Datenübertragung auf der I/O-Leitung über den UART.

Die erfindungsgemäße Einrichtung (30) verfugt über eine I/O-Leitung zum Senden (I/O-TXD, Transmit Data) und eine zum Empfangen (I/O-RXD, Receive Data). Für jede Richtung ist ein Treiber vorgesehen, damit ist auch eine Datenübertragung über größere Entfernungen möglich. In der Kontaktiereinheit (31) sind diese dann wieder als ein I/O-Kontakt für die Chipkarte (1) zusammengeführt.

Das Signalregister erzeugt außerdem das Reset (RST) -Signal für die Chipkarte (1) und ein Signal (Out), das noch zur Verwendung frei ist (z. B. könnte hierüber eine LED angesteuert werden, die anzeigt, ob eine Karte gesteckt ist).

Der Timer, welcher - wahlweise über den Multiplexer M3 einstellbar - entweder den Kartenclock (CLK) oder den ETU-Clock zählt, generiert ein Time-Out-Signal für eine einzuhaltende Wartezeit zwischen Datenstrings.

Der Spannungsregeler erzeugt aus einer externen Versorgungsspannung (V) die Versorgungsspannung (VCC) für die Chipkarte (1). Dabei ist dieser so ausgelegt, daß er wahlweise mindestens zwei verschiedene Versorgungsspannungen (VCC) zur Unterstützung unterschiedlicher Karten (3 V-Karten, 5 V-Karten) erzeugen kann. Mit dem Umschalten von einer Versorgungsspannung auf eine andere, werden automatisch auch die Pegel für die I/O- Leitung angepaßt.

Zusätzlich zum Spannungsregler ist eine Leistungskontroll- und Abschalteinheit vorgesehen, die den Versorgungsstrom zur Chipkarte (auf der VCC-Leitung) überwacht, und im Falle einer Überschreitung die Signale (VCC, I/O, CLK, RST) in einer festgelegten Reihenfolge auf definierte Pegel legt - Abschaltsequenz (s. Fig. 4B). Der Grenzwert liegt bei 15 mA. Für höhere Ströme ist eine externe Transistorschaltung für die erfindungsgemäße Einrichtung (30) vorzusehen.

Die Abschaltsequenz wird auch ausgelöst, wenn die Chipkarte (1) gezogen wird, was über einen Card In-Kontakt in der Kontaktiereinheit (31) festgestellt wird. Außerdem wird die Abschaltsequenz bei jedem Reset der erfindungsgemäßen Einrichtung (30) ausgelöst.

Die Abschaltsequenz wird nach einer Reaktionszeit von typischerweise 100 µs nach dem auslösenden Ereignis gestartet. Zur Festlegung der Reaktionszeit ist ein Verzögerungszähler vorgesehen. Die Reaktionszeit von 100 µs gestattet es, beispielsweise bei einer während der Kommunikation fälschlicherweise gezogenen Karte, die Karte noch in einen definierten Zustand zu bringen.

Die Einschaltsequenz (s. Fig. 4A) erfolgt unter Softwarekontrolle des mikroprozessorgestützten Systems.

Die erfindungsgemäße Einrichtung (30) ist in der Lage, Signale auf den Leitungen (I/O, RST, CLK) mit einer sehr geringen, definierten maximalen Flankenbegrenzung zu generieren: 100 ns für RST und I/O sowie 10 nS für CLK. Die Anschlüsse (I/O, VCC, RST, CLK) sind durch interne Beschaltungen hochspannungsicher ausgebildet, so daß statische Aufladungen einer eingeführten Chipkarte (1) die erfindungsgemäße Einrichtung nicht beschädigen.

Claims (15)

1. Einrichtung für den Betrieb einer Chipkarte und den Datenaustausch zwischen einer Chipkarte (1) und einem mikroprozessorgestützten System (2), das über eine Schnittstelle mit einem definierten Schnittstellen-Protokoll verfügt, wobei die Chipkarte (1) für ihren Betrieb und den Datenaustausch mindestens elektrische Kontaktflächen für die Versorgungsspannung (Vcc), das Taktsignal (CLK), die Referenzspannung/Masse (GND), die serielle Ein-/Ausgabe von Daten (I/O) und einen Reset-Anschluß (RST) aufweist und diese Kontaktflächen zu den mit der Einrichtung (30) verbundenen Kontakten einer Kontaktiereinheit (31) korrespondieren, wobei

• 1. die Einrichtung (30) einen Schaltkreis (30D) zur Generierung und/oder Kontrolle der Versorgungsspannung (Vcc) für die Chipkarte (1) und einen Schaltkreis (30C) zur Erzeugung eines Taktsignals (CLK) für die Chipkarte (1) aufweist,
• 2. die Ansteuerung der Chipkarte (1) von dem mikroprozessorgestützten System (2) unmittelbar über die Einrichtung (30) ohne Zwischenschaltung eines weiteren Mikroprozessors erfolgt,

dadurch gekennzeichnet, daß
der Schaltkreis (30C) zur Erzeugung des Taktsignals aus einem Takt eines externen Schwingquarzoszillators (32) ein hinsichtlich der Taktfrequenz modifiziertes Taktsignal (CLK) für die Chipkarte (1) erzeugt,
die Einrichtung (30) neben den vorstehend aufgeführten Komponenten folgende weitere Komponenten aufweist:

• 1. einen Schnittstellen-Schaltkreis (30A) zur Kommunikation mit der Schnittstelle des mikroprozessorgestützten System (2), der mit den Steuer-, Daten- und/oder Adressleitungen der Schnittstelle des mikroprozessorgestützten Systems (2) und mit ebenfalls in der Einrichtung (30) vorhandenen Registern und/oder Speichern verbunden ist, wobei dieser Schaltkreis (30A) als Schnittstellen-Protokoll-Konverter
  • 1. einerseits in Abhängigkeit der von dem mikroprozessorgestützten System (2) gesendeten Steuer-, Daten- und/oder Adressignale die Register und/oder Speicher ansteuert,
  • 2. und andererseits gesteuert durch die Register- und/oder Speicherinhalte an das mikroprozessorgestützte System zu sendende Steuer- und Datensignale generiert,
• 2. einen Schaltkreis (30B) zur Kommunikation mit der Chipkarte (1), der mit den Registern und/oder Speichern und mit den Kontakten der Kontaktiereinheit (31) verbunden ist, wobei dieser Schaltkreis (30B) als Chipkarten-Kommunikations-Protokoll-Konverter
  • 1. einerseits gesteuert durch die Register- und/oder Speicherinhalte die Kommunikation mit der Chipkarte ausführt,
  • 2. und andererseits in Abhängigkeit von der Kommunikation mit der Chipkarte die Register und/oder Speicher ansteuert.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (30) als monolithischer Halbleiterbaustein ausgebildet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltkreis (30A) zur Anbindung an eine parallele, bidirektionale Schnittstelle des mikroprozessorgestützten Systems (2) ausgelegt ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltkreis (30A) einen Pufferspeicher zur Zwischenspeicherung von Daten und Steueranweisungen aufweist, insbesondere einen Pufferspeicher nach dem First-In-First-Out (FIFO)-Prinzip.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe zur Unterstützung von mindestens zwei verschiedenen parallelen Schnittstellen- Betriebsarten (ECP-Bus oder µP-Bus) ausgebildet ist, wobei das mikroprozessorgestützte System (2) über ein Selektionssignal (S0) die gewünschte Betriebsart der Einrichtung (30) anzeigt, woraufhin diese automatisch zur Unterstützung der gewählten Betriebsart konfiguriert wird.

6. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltkreis (30A) zur Anbindung an eine serielle Schnittstelle des mikroprozessorgestützten Systems (2) ausgebildet ist.

7. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe einen Schaltkreis aufweist zur Auswertung eines Signals (CardIn), das anzeigt, ob eine Chipkarte (1) ordnungsgemäß in der Kontaktiereinheit (31) positioniert ist, wobei in Abhängigkeit von diesem Signal (CardIn) automatisch vorbestimmte Schaltungsabläufe in der Einrichtung (30) ablaufen, die die weitere Kommunikation mit der Chipkarte (1) und den Schaltungszustand der entsprechenden Kontakte der Kontaktiereinheit (31) festlegen.

8. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltkreis (30D) zur Generierung der Versorgungsspannung (Vcc) zur Erzeugung von mindestens zwei unterschiedlich hohen Versorgungsspannungen ausgebildet ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß über eine entsprechende Steueranweisung des mikroprozessorgestützten Systems (2) eine vorbestimmte Schaltungsabfolge in der Einrichtung (30) ausgelöst wird, die festlegt, welche Versorgungsspannung (VCC1, VCC2) für die Chipkarte (1) erzeugt wird.

10. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe einen Baustein (UART) zur Parallel-/Seriell-Wandlung der zwischen dem mikroprozessorgestützten System (2) und der Chipkarte (1) auszutauschenden Daten aufweist, der einen Schaltkreis zur Fehlererkennung unter Verwendung eines Paritätsbits aufweist.

11. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe im Fall des Betriebs/Datenaustauschs von synchronen Karten die Kartenkontakte (I/O, RST, CLK) aktiv über ein Signalregister kontrolliert werden.

12. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe eine Leistungskontroll- und Abschalteinheit umfaßt, die den Versorgungsstrom zur Chipkarte (1) überwacht, und im Falle einer Überschreitung um einen vorbestimmten Wert die Signale (VCC, I/O, RST) in der festgelegten Reihenfolge automatisch auf definierte Pegel legt.

13. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltkreis (30C) zur Generierung des Taktsignals (CLK) zur Erzeugung von mindestens zwei unterschiedlich hohen Taktfrequenzen ausgebildet ist.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß über eine entsprechende Steueranweisung des mikroprozessorgestützten Systems (2) festgelegt wird, welche Taktfrequenz für die Chipkarte (1) generiert wird.

15. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe zur Unterstützung von Chipkarten (1), in denen mindestens zwei verschiedene Clockfrequenz-Teilungsfaktoren zur Ableitung einer Datenübertragungsrate gespeichert sind, ausgebildet ist.