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ISO 7816 智能卡接口：半双工 T=0/T=1、卡时钟与 UART 复用 ​

更新时间：2026-09-19。前置：UART 波特率/FIFO、UART RTS/CTS。SIM/UICC、银行卡、社保卡这类接触式智能卡遵循 ISO/IEC 7816，物理和帧格式与普通 UART 很像，但有几个关键差异。

本文要回答的问题 ​

  • 智能卡只有一根 I/O，怎么双向收发？
  • 上电后的 ATR 复位应答、T=0 和 T=1 协议是什么？
  • 卡的波特率/采样时刻由什么决定（etu、guard time）？
  • 激活/去激活、单线方向切换和错误重传有哪些坑？

一、物理接口：接触触点 ​

ISO 7816-2 定义卡面触点（常用）：

  • C1 VCC：卡电源（5V/3V/1.8V，接口设备 IFD 供电，可切换等级）。
  • C2 RST：复位（接口设备驱动）。
  • C3 CLK：卡时钟，接口设备提供（常用 1~5MHz），卡的通信速率由它分频得到。
  • C5 GND：地。
  • C7 I/O：唯一的数据线，半双工、双向、开漏 + 上拉（类似 I2C 线与，见 I2C 开漏），卡和接口设备分时驱动。
  • C4/C8 保留（USB/额外用）、C6 VPP（编程电压，现代基本不用）。

与全双工 UART（独立 TX/RX）不同，7816 只有一根 I/O，发送和接收必须分时，并需要方向控制（开漏共享，见 SPI 从机三态的总线释放理念）。

二、位帧与 etu（基本时间单元） ​

线上位格式接近反向 UART：

  • 每字节 10 位（T=0）/起始约定：1 个起始位（低）+ 8 数据位（LSB 先）+ 1 个校验位 + 保护时间。
  • 注意电平与多数 UART 相反：空闲为高、起始位为低（常规），但校验位采用偶校验、且约定上有时按反向逻辑（direct/inverse convention），ATR 首个字符 TS 决定后续是直接还是反相约定。
  • etu（elementary time unit）：1 位的时间，由卡时钟分频得到：etu = F/(D·f)，其中 f 是 CLK 频率，F（时钟率转换整数）、D（波特率调整因子）由 ATR 给出。初始用默认 F=372、D=1（如 f=3.579MHz 时约 9600 波特），ATR 协商后可提速率（PPS）。
  • Guard Time（GT）：连续两个字节前沿之间的最小间隔（默认 12 etu），给对端处理时间；卡可在保护时间内把 I/O 拉低申请额外等待时间（clock wait/block wait 之外）。

三、激活、冷复位与 ATR ​

接口设备必须按固定时序激活：

bash
去激活(空闲)态: RST=L, CLK 停, VCC 关, I/O 上拉(高)
激活: 先上 VCC → 稳定后给 CLK → 再拉高 RST(冷复位)
卡复位后在规定时间内通过 I/O 发 ATR(Answer To Reset):
  TS(初始字符,定直接/反相约定)
  T0(格式字节: Y1 + 历史字节数)
  TA1/TB1/TC1/TD1...(接口字节: F/D/Fi/Di、保护时间、协议选择、后续是否还有)
  历史字节(historical bytes)
  TCK(校验字符,某些协议)
  • TS：接口设备先按默认采样 TS，用它确定电平约定和同步，后续字节据此解码（类似 UART 自动波特率 里靠已知字符对齐）。
  • ATR 的接口字节告诉接口设备卡支持的电压、最大时钟、F/D、T=0 还是 T=1；之后可用 **PPS（Protocol and Parameters Selection）**协商更高 D（速率）。
  • 热复位（不断电再拉 RST）与冷复位时序略不同；去激活要按相反顺序：先 RST 低、再停 CLK、再断 VCC。

四、T=0 与 T=1 两种传输协议 ​

  • T=0（面向字节，半双工）：每命令由接口设备发 5 字节 APDU 头（CLA/INS/P1/P2/P3），卡回一个过程字节（procedure byte）：
    • ACK（=INS 或 INS^FF）表示继续，接口设备据此发剩余数据或准备收数据；
    • NULL(0x60) 表示卡还在处理，接口设备继续等；
    • 状态字 SW1/SW2（如 90 00 成功）结束命令。 T=0 要靠过程字节逐字节握手，命令/数据方向由过程字节管理（如 GET RESPONSE 取卡数据）。
  • T=1（面向块，全/半双工块）：数据组织成块（block）：起始字段（头：NAD/PCB/LEN）+ 信息字段（APDU）+ EDC（校验，LRC/CRC）。分信息块、接收就绪块（R-block，ACK/NAK）、系统块（S-block，等待时间扩展/复位）。类似带帧头和校验的链路协议，吞吐和错误处理更清晰。

校验与重传：字节级偶校验错时，接收方在保护时间内把 I/O 拉低（error signal），发送方重发该字节（T=0）；T=1 用块 EDC 校验，错误发 NAK 请求重传块。

五、控制器实现：UART 复用 ​

多数 SoC 的「智能卡控制器/USART smartcard 模式」复用 UART：

  • 配置成 half-duplex / single-wire + 开漏，发送时使能驱动、发完立刻释放 I/O（由 TE/RE + 方向控制），否则卡应答时总线被拉死——这和 RS485 DE 控制类似，但 7816 是同线回环。
  • 使能 0.5/1.5 位采样？实际要按 etu 采样（采样点在位中间），并支持偶校验、guard time、可配 etu 分频（来自 CLK）。
  • 提供 CLK 输出（单独定时器/PWM 分频，见 定时器/PWM）和 RST/VCC 控制（常配合电源 IC/电平转换）。
  • 卡可能插入/拔出，需要触点检测去抖（见 GPIO 去抖）和上电序列状态机。

六、常见的坑 ​

  1. 全双工当半双工：发送后不释放 I/O，卡的 ACK/ATR 被主机驱动顶住，读到自己回环的数据。
  2. 电平/约定未看 TS：inverse convention 下仍按直接逻辑解码，ATR 全错。
  3. etu/F/D 算错：ATR 后没按新 Fi/Di 调波特率，后续乱码；初始必须 372/1。
  4. 激活/去激活顺序错：先给 RST 再上 VCC 或去激活不按反序，卡不复位甚至损伤。
  5. guard time 不足：字节间隔小于要求，慢卡丢字节；忽略卡的时钟等待/过程字节 NULL。
  6. T=0 过程字节处理错：不识别 ACK/NULL/SW1SW2，命令方向和 GET RESPONSE 走错。
  7. 校验错不重传：忽略卡的错误信号（拉低 I/O）或 T=1 NAK。
  8. 时钟/电压等级不配：卡只支持 1.8V 却供 5V，或 CLK 超 ATR 允许的最大值。
  9. 开漏上拉不当：上拉太强/太弱导致边沿慢或电平冲突。
  10. 拔插抖动/带电拔卡：无触点检测与安全下电序列，通信中断/状态错乱。
  11. T=1 块长度/EDC 错：LEN 与 LRC/CRC 计算错，NAK 风暴。
  12. 把 SIM 普通 UART 直连：缺开漏半双工模式、CLK/RST/供电控制，物理层就不工作（需专用卡接口 IC 或支持 7816 的 USART+电源时序）。

相关与延伸 ​

帧/采样基础见 UART 波特率与 FIFO；自动对齐见 UART 自动波特率；开漏共享见 I2C 主机；单线方向控制类比见 UART 流控/RS485。

总结 ​

ISO 7816 智能卡用接触触点上的单根开漏 I/O（C7）做半双工通信，外加接口设备提供的 CLK（C3）、RST（C2）和可切 5/3/1.8V 的 VCC；位帧是 LSB 先、偶校验、由卡时钟分频出的 etu 定速率（初始 F=372/D=1≈9600），上电按「VCC→CLK→RST」激活后卡先发决定电平约定和 F/D 参数的 ATR，再在面向字节、靠 ACK/NULL/SW1SW2 过程字节逐拍握手的 T=0 与带块头和 EDC、用 ACK/NAK 重传的 T=1 中选一种；控制器通常复用 UART 的单线开漏半双工模式并在发完立即释放 I/O、按 guard time 和卡时钟等待管理节奏——发后不释放总线、不按 TS 解约定、etu 协商错和激活时序错是四大根因。