M1卡介绍

本文整理自网络。

 

 

M1卡是指菲利浦下属子公司恩智浦出品的芯片缩写，全称为NXP Mifare1系列，常用的有S50及S70两种型号，目前都有国产芯片与其兼容，属于非接触式IC卡。最为重要的优点是可读可写并且安全性高的多功能卡。这些优点与其自身的结构密不可分。

 

主要指标

• 容量为8K位EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，带电可擦可编程只读存储器)
• 分为16个扇区，每个扇区为4块，每块16个字节,以块为存取单位
• 每个扇区有独立的一组密码及访问控制
• 每张卡有唯一序列号，为32位
• 具有防冲突机制，支持多卡操作
• 无电源，自带天线，内含加密控制逻辑和通讯逻辑电路
• 数据保存期为10年，可改写10万次，读无限次
• 工作温度：-20℃~50℃(温度为90%)
• 工作频率：13.56MHZ
• 通信速率：106KBPS
• 读写距离：10mm以内（与读写器有关）

 

 

存储结构

1、M1卡分为16个扇区，每个扇区4块（块0～3），共64块，按块号编址为0～63。第0扇区的块0（即绝对地址0块）用于存放厂商代码，已经固化，不可更改。其他各扇区的块0、块1、块2为数据块，用于存贮数据；块3为控制块，存放密码A、存取控制、密码B。每个扇区的密码和存取控制都是独立的，可以根据实际需要设定各自的密码及存取控制。存贮结构如下表所示：

 

	块0	IC卡厂家信息	数据块	0
扇区0	块1		数据块	1
	块2		数据块	2
	块3	密码A   存取控制   密码B	控制块	3
	块0		数据块	4
扇区1	块1		数据块	5
	块2		数据块	6
	块3	密码A   存取控制   密码B	控制块	7
		∶ 　　　　∶ 　　　　∶
	0		数据块	60
扇区15	1		数据块	61
	2		数据块	62
	3	密码A    存取控制   密码B	控制块	63

 

2、第0扇区的块0（即绝对地址0块），它用于存放厂商代码，已经固化，不可更改。

3、每个扇区的块0、块1、块2为数据块，可用于存贮数据。

  数据块可作两种应用：

  用作一般的数据保存，可以进行读、写操作。

  用作数据值，可以进行初始化值、加值、减值、读值操作。

4、每个扇区的块3为控制块，包括了密码A、存取控制、密码B。具体结构如下：

各区控制块3 结构	字节号	0 1 2 3 4 5	6 7 8 9	10 11 12 13 14 15
	控制值	FF FF FF FF FF FF	FF 07 80 69	FF FF FF FF FF FF
	说明	密码A(0～5字节)	存取控制(6～9字节)	密码B(10～15字节)

 

　　密码A（6字节）  存取控制（4字节） 密码B（6字节） 

5、每个扇区的密码和存取控制都是独立的，可以根据实际需要设定各自的密码及存取控制。存取控制为4个字节，共32位，扇区中的每个块（包括数据块和控制块）的存取条件是由密码和存取控制共同决定的，在存取控制中每个块都有相应的三个控制位,定义如下：

表：控制位定义"CXxy" (x=0～15扇区； y=块0，块1，块2) 

块0	C1x0	C2x0	C3x0	用户数据块，(0区0块除外)
块1	C1x1	C2x1	C3x1	用户数据块
块2	C1x2	C2x2	C3x2	用户数据块
块3	C1x3	C2x3	C3x3	密匙存取控制块

例如C1x0中的C代码这是控制位，1代表第一位，0代表是块0的控制位。

三个控制位以正和反两种形式存在于存取控制字节中，决定了该块的访问权限（如进行减值操作必须验证KEY A，进行加值操作必须验证KEY B，等等）。三个控制位在存取控制字节中的位置

表：三个控制位在存取控制字节中的位置(注：" _b" 表示取反) 

字节号 | 位号	bit 7	6	5	4	3	2	1	0
字节6	C2x3_b	C2x2_b	C2x1_b	C2x0_b	C1x3_b	C1x2_b	C1x1_b	C1x0_b
字节7	C1x3	C1x2	C1x1	C1x0	C3x3_b	C3x2_b	C3x1_b	C3x0_b
字节8	C3x3	C3x2	C3x1	C3x0	C2x3	C2x2	C2x1	C2x0
字节9	BX7	BX6	BX5	BX4	BX3	BX2	BX1	BX0
所属块	块3控制位	块2控制位	块1控制位	块0控制位	块3控制位	块2控制位	块1控制位	块0控制位

以块0为例,对块0的控制：

bit	7	6	5	4	3	2	1	0
字节6				C20_b				C10_b
字节7				C10				C30_b
字节8				C30				C20
字节9

( 注： C10_b表示C10取反 )

 

存取控制（4字节，其中字节9为备用字节）结构如下所示：

bit	7	6	5	4	3	2	1	0
字节6	C23_b	C22_b	C21_b	C20_b	C13_b	C12_b	C11_b	C10_b
字节7	C13	C12	C11	C10	C33_b	C32_b	C31_b	C30_b
字节8	C33	C32	C31	C30	C23	C22	C21	C20
字节9

 ( 注： _b表示取反 )

 

6、数据块（块0、块1、块2）的存取控制如下：

控制位（X=0..2）			访 问 条 件 （对数据块 0、1、2）
C1X	C2X	C3X	Read	Write	Increment	Decrement, transfer, Restore
0	0	0	KeyA|B	KeyA|B	KeyA|B	KeyA|B
0	1	0	KeyA|B	Never	Never	Never
1	0	0	KeyA|B	KeyB	Never	Never
1	1	0	KeyA|B	KeyB	KeyB	KeyA|B
0	0	1	KeyA|B	Never	Never	KeyA|B
0	1	1	KeyB	KeyB	Never	Never
1	0	1	KeyB	Never	Never	Never
1	1	1	Never	Never	Never	Never

（KeyA|B 表示密码A或密码B，Never表示任何条件下不能实现）

 例如：当块0的存取控制位C10 C20 C30=1 0 0时，验证密码A或密码B正确后可读；验证密码B正确后可写；不能进行加值、减值操作。

 

 7、控制块（块3）的存取控制与数据块（块0、1、2）不同，它的存取控制如下：

			密码A		存取控制		密码B
C13	C23	C33	Read	Write	Read	Write	Read	Write
0	0	0	Never	KeyA|B	KeyA|B	Never	KeyA|B	KeyA|B
0	1	0	Never	Never	KeyA|B	Never	KeyA|B	Never
1	0	0	Never	KeyB	KeyA|B	Never	Never	KeyB
1	1	0	Never	Never	KeyA|B	Never	Never	Never
0	0	1	Never	KeyA|B	KeyA|B	KeyA|B	KeyA|B	KeyA|B
0	1	1	Never	KeyB	KeyA|B	KeyB	Never	KeyB
1	0	1	Never	Never	KeyA|B	KeyB	Never	Never
1	1	1	Never	Never	KeyA|B	Never	Never	Never

例如：当块3的存取控制位C13 C23 C33=1 0 0时，表示：

密码A：    不可读，验证KEYB正确后可写（更改）。

存取控制：不可写，验证KEYA或KEYB正确后可读。

密码B：    不可读，验证KEYB正确后可写。

 

 

工作原理

卡片的电气部分只由一个天线和ASIC(Application Specific Integrated Circuit)组成。

天线：卡片的天线是只有几组绕线的线圈，很适于封装到IS0卡片中。

ASIC：卡片的ASIC由一个高速（106KB波特率）的RF接口，一个控制单元和一个8K位EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，带电可擦可编程只读存储器)组成。

工作原理：读写器向M1卡发一组固定频率的电磁波，卡片内有一个LC串联谐振电路，其频率与讯写器发射的频率相同，在电磁波的激励下，LC谐振电路产生共振，从而使电容内有了电荷，在这个电容的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内储存，当所积累的电荷达到2V时，此电容可做为电源为其它电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接取读写器的数据。

 

复位应答（Answer to request）

M1射频卡的通讯协议和通讯波特率是定义好的，当有卡片进入读写器的操作范围时，读写器以特定的协议与它通讯，从而确定该卡是否为M1射频卡，即验证卡片的卡型。

 

防冲突机制 (Anticollision Loop)

当有多张卡进入读写器操作范围时，防冲突机制会从其中选择一张进行操作，未选中的则处于空闲模式等待下一次选卡，该过程会返回被选卡的序列号。

 

选择卡片(Select Tag)

选择被选中的卡的序列号，并同时返回卡的容量代码。

 

三次互相确认(3 Pass Authentication)

选定要处理的卡片之后，读写器就确定要访问的扇区号，并对该扇区密码进行密码校验，在三次相互认证之后就可以通过加密流进行通讯。（在选择另一扇区时，则必须进行另一扇区密码校验。）

 

对数据块的操作

读 (Read)：读一个块；

写 (Write）：写一个块；

加（Increment）：对数值块进行加值；

减（Decrement）：对数值块进行减值；

存储（Restore）：将块中的内容存到数据寄存器中；

传输（Transfer）：将数据寄存器中的内容写入块中；

中止（Halt）：将卡置于暂停工作状态；

 

 

M1卡运作机理

连接读写器→寻卡→识别卡（获取卡序列号）→从多卡中选一张卡→向卡中缓冲区装载密码→验证密码→进行读写→关闭连接

即（代码说明）

Open_USB→rf_request→rf_anticoll→rf_select→rf_load_key→rf_authentication→(/a_hex)→rf_read/rf_write→(hex_a)→Close_USB

如果概括来说的话，主要也就四部分：开关连接、寻卡、验证密码、读取。

 

基本操作规则

（1）程序开始，调用rf_init函数初始化串口。

（2）寻卡，调用rf_card；

        相当于连续调用三个函数：

 　　 rf_request

　　  rf_anticoll

 　    rf_select

 　　 注：调用高级函数对卡进行操作时，无需此步骤。

（3）对单个扇区操作，顺次执行A～D；

 　　 对多个扇区操作，循环执行A～E；

 　　 A、选定要操作的扇区；

 　　 B、装载密码，调用rf_load_key；

　　  C、验证密码，调用rf_authentication；

　　  D、进行操作，包括读写及值操作。

　　  E、调用rf_halt。

（4）关闭串口，调用rf_exit。程序正常退出或因错误退出之前，要使用函数；否则再次执行初始化串口时将出错。

 

M1卡功能模式

1.寻卡模式：

寻卡模式分三种情况：IDLE模式、ALL模式及指定卡模式（0，1，2 均是int类型，是方法参数，下同）。

     0——表示IDLE模式，一次只对一张卡操作；

     1——表示ALL模式，一次可对多张卡操作；

     2——表示指定卡模式，只对序列号等于snr的卡操作（高级函数才有）【不常用】

也就是说，我们一次也可以同时操作多张卡。

对于多卡操作，其实际真正执行操作的还是一张卡。读写器能识别多张卡的序列号（但注意识别出的顺序是不定的，并且最多也就能识别4张卡，因为卡叠放的厚度太厚，会超出读写器的识别范围），并一一进行操作。

所以由此看出，多卡操作的意义并不大。但我建议大家还是设置为1好了。

 

2.密码验证模式：

     0——KEYSET0的KEYA

     4——KEYSET0的KEYB

M1卡可以在验证密码时选择密码类型（A/B）。【其实M1卡有3套密码（KEYSET0、KEYSET1、KEYSET2），共6个密码（用0～2、4～6来表示这六个密码），目的是为了适应不同读写器。而这里我们用的是KEYSET0的2个密码】

 

M1卡密码机制

这可以说是M1卡的精髓了，也是M1卡最为复杂的地方，希望大家耐心看完。

（请先看明白M1卡结构）如上所说，在存取控制中每个块都有相应的三个控制位,它们的定义如下：

     块0：   C10   C20   C30

     块1：   C11   C21   C31

     块2：   C12   C22   C32

     块3：   C13   C23   C33

一个扇区的三个数据块，我们可以利用密码机制对它们分别进行权限控制。数据块（块0、块1、块2）的存取控制如下：

 

例如：当块0的存取控制位C10 C20 C30=100时，验证密码A或密码B正确后可读；验证密码B正确后可写；不能进行加值、减值操作。

那么M1卡修改密码的方法是rf_changeb3

参数：

     icdev：通讯设备标识符

     _SecNr：扇区号（0～15）

     _KeyA：密码A

     _B0：块0控制字，低3位（D2D1D0）对应C10、C20、C30

     _B1：块1控制字，低3位（D2D1D0）对应C11、C21、C31

     _B2：块2控制字，低3位（D2D1D0）对应C12、C22、C32

     _B3：块3控制字，低3位（D2D1D0）对应C13、C23、C33

     _Bk：保留参数，取值为0

     _KeyB：密码B

返 回：成功则返回 0

由上我们看出_B0、_B1、_B2、_B3分别控制块0、块1、块2、块3。

由图我们可知_B0、_B1、_B2的可取值为 0、10、100、110、1、11、101、111。

这里大家一定要注意一点：

不能装载密码到M1卡某一扇区后再更改那扇区的密码（最好连接完读写器后直接更改密码），否则更改密码会失败而冻结扇区。如果不慎这样了，解决的办法是完成一次读写操作，再更改密码。

控制块（块3）的存取控制与数据块（块0、1、2）不同，它的存取控制如下：

_B3的取值与_B0相同。

 

存取控制举例

例1：块3的初始化值为：
KeyA=A0、A1、A2、A3、A4、A5
控制块=FF、07、80、69
KeyB=B0、B1、B2、B3、B4、B5

 

字节	Bit 7	Bit 6	Bit 5	Bit 4	Bit 3	Bit 2	Bit 1	Bit 0	权限	二进制
Byte6	C2X3_b	C2X2_b	C2X1_b	C2X0_b	C1X3_b	C1X2_b	C1X1_b	C1X0_b	FF	1 1 1 1 1 1 1 1
Byte 7	C1X3	C1X2	C1X1	C1X0	C3X3_b	C3X2_b	C3X1_b	C3X0_b	07	0 0 0 0 0 1 1 1
Byte 8	C3X3	C3X2	C3X1	C3X0	C2X3	C2X2	C2X1	C2X0	80	1 0 0 0 0 0 0 0
Byte 9	BX7	BX6	BX5	BX4	BX3	BX2	BX1	BX0	69	0 1 1 0 1 0 0 1

得出存取控制位如下：

块0	C1X0	C2X0	C3X0	0 0 0
块1	C1X1	C2X1	C3X1	0 0 0
块2	C1X2	C2X2	C3X2	0 0 0
块3	C1X3	C2X3	C3X3	0 0 1

 

例2：块3的初始化值为：

KeyA=A0、A1、A2、A3、A4、A5
控制块=08、77、8F、00
KeyB=B0、B1、B2、B3、B4、B5

字节	Bit 7	Bit 6	Bit 5	Bit 4	Bit 3	Bit 2	Bit 1	Bit 0	权限	二进制
Byte 6	C2X3_b	C2X2_b	C2X1_b	C2X0_b	C1X3_b	C1X2_b	C1X1_b	C1X0_b	08	0 0 0 0 1 0 0 0
Byte 7	C1X3	C1X2	C1X1	C1X0	C3X3_b	C3X2_b	C3X1_b	C3X0_b	77	0 1 1 1 0 1 1 1
Byte 8	C3X3	C3X2	C3X1	C3X0	C2X3	C2X2	C2X1	C2X0	8F	1 0 0 0 1 1 1 1
Byte 9	BX7	BX6	BX5	BX4	BX3	BX2	BX1	BX0	00	0 0 0 0 0 0 0 0

 
得出存取控制位如下：

块0	C1X0	C2X0	C3X0	1 1 0
块1	C1X1	C2X1	C3X1	1 1 0
块2	C1X2	C2X2	C3X2	1 1 0
块3	C1X3	C2X3	C3X3	0 1 1

M1卡使用注意事项

快速识别EM卡，HID卡和MF卡

如果是一面平，一面代坡并且底面有一排数字的为EM卡，剩下两张应该是平的，其中一张应该是另一张的二倍厚，那么厚的那张是HID卡，薄的是MF卡。M1卡写数据是直接向控制块里写,但能写的前提是扇区的密码已得到确认.向控制块中写数据时,首先要理解控制块中控制位的用途.避免写入无效数据后,扇区被锁死。每个控制块共16个字节,前6个和后6个字节是密码KeyA和KeyB,中间4个字节是控制位.如果写错控制位,即使你知道KeyA/KeyB,也再也不能访问这个扇区了。

 

所谓三次互相认证是只在进行真正的数据交换前,卡和读写器之间会传输一些随机产生的密钥,在确认这一次通讯的密钥后,真正的数据才会使用这些密钥加密后进行通讯.密钥产生过程就是三次认证.由于每一次密钥不同,所以即使是进行相同数据的通讯,在卡和读卡器之间的每次通讯信号都是不同的,没法捕捉。这三次认证跟密钥KEYA或KEYB是有关的。的确需要事先设定读卡机和卡片的密钥一致才能认证。认证时通过随机数和KEYA或KEYB产生一个后续通信需要的流加密种子，当然读卡机和卡片的加密算法和该种子需保持一致。

 

MF1卡常见问题及处理建议：

• ① 盲目操作：造成某些区块误操作被锁死不能再使用。应当仔细参考表3表5的控制权限后，予先得出操作后的结果是否适合使用要求，并且列出操作顺序表单再操作。最好授权程序员对块3的设置作专人操作。
• ② 丢失密码：再读写时造成密码认证出错而不能访问卡。特别要求在对MF卡进行块3编程操作时，必须及时记录相关卡号的控制值，KeyA，KeyB等，而且应当有专人管理密码档案。
• ③ 错误设置：对MF1卡的块3控制块了解不透彻，错误的理解造成设置造成错误的设置。依照表2可知，目前Mf1卡的控制块仅只有8种数据块访问控制权限和8种控制块设置权限，超出这16种权限的其他代码组合，将直接引起错误设置而使卡片报废!
• ④ 极端权限：当块3的存取控制位C13 C23 C33 = 110或者111时，称为极端权限。除特殊应用外一般不被使用!启用前认真权衡对密码读写，存取控制的锁死是否必要，否则，数据加密后即使有密码也无法读取被锁死的数据区块(看不见)!
• ⑤ 设备低劣：低劣的设备将直接影响卡的读写性能。对MF卡进行块3编程操作的设备，特别要求其性能必须十分可靠，运行十分稳定!建议选用由飞利浦公司原装读写模块构建的知名读写机具!
• ⑥ 编程干扰：在对块3进行编程操作时，不可以有任何的‘IO‘中断或打扰!包括同时运行两个以上程序干扰甚至PC机不良的开关电源纹波干扰等，否则，不成功的写操作将造成某个扇区被锁死的现象，致使该扇区再次访问时出错而报废。
• ⑦ 数据出错：在临界距离点上读卡和写卡造成的。通常的读卡，特别是写卡，应该避免在临界状态(刚能读卡的距离)读卡。因为临界状态下的数据传送是很不稳定的!容易引起读写出错!
• ⑧ 人为失误：例如，密码加载操作失误，误将KeyA加载为KeyB；或者是误将其他制卡厂约定的初始密码值如a0a1a2a3a4a5，b0b1b2b3b4b5加载到本公司生产的MF1卡内；或者在初始状态下(密码A=000000000000【隐藏状态，实际为ffffffffffff】，控制位=FF 07 80 69，密码B=ffffffffffff【可见】)若不经意地将KeyA=000000000000 删除后又重新输入12个‘0‘，并加载了它!这时无意中已将KeyA原来12个隐藏的‘f‘，修改成了12个‘0‘，其后果可想而知!
• ⑨ 卡片失效：读写均无数据传送，读写器报告‘寻卡错误‘!卡片被超标扭曲，弯曲而造成内电路断裂。
• ⑩ 读写距离过近：与用户使用的读写器性能有关。标准型MF1卡的读写距离可达10cm(在飞利浦公司的标准读写机具上测试的最大距离)，国产知名品牌读写器一般可达5-10cm。尺寸较小的匙扣卡，其读写距离当然比标准卡近许多，但只要可靠的读写距离≥5～10mm以上，一般不会影响正常使用!

 

 

 

 

 

实际应用

 

M1 卡的格式化方法：

例如，M1 卡的某一扇区的块3数据为：

KEYA：FFFFFFFFFFFF

控制值：FF078069

KEYB：FFFFFFFFFFFF

 

现要格式化卡（假如验证密码A）为：

KEYA 输入 FFFFFFFFFFFF

KEYB 输入 123456781234

则可以格式化

 

KEYA 输入 123456781234

KEYB 输入 FFFFFFFFFFFF

也可以格式化

即先用输入的KEYA与卡中控制块的KEYA比较，验证失败再用输入的KEYB与卡中控制块的KEYB比较，验证失败则失败，否则成功。