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(1)卡内操作系统COS的设计
智能卡内设计了一个小型的操作系统COS. COS的主要功能是：控制智能卡与外界信息进行交换，管理智能卡存储器中的文件系统，并在智能卡内完成各种命令的处理。COS的基本功能必须遵循ISO7816—4标准[3]。
COS系统是由传输管理、文件管理、安全体系、命令解释四个功能模块组成的。
① 传输管理。按ISO7816—3标准，监督卡与终端之间的通信，保证数据正确地传输，防止与终端之间通信数据被非法窃取和篡改。
②文件管理。文件管理模块用来管理智能卡芯片内存储的各种数据，如证书、密钥和其他用户信息等。
智能卡芯片内的文件分为MF、DF和EF三种。MF(主文件)是所有文件的根文件；DF文件是目录文件，根据DF可以区分存在于智能卡上的不同应用；EF是基本文件，用来存储具体的数据和记录，也是COS命令所要操作的具体对象。本设计中，EF分为四种类对象：密钥、证书、认证对象和数据对象。其中认证对象中保存识别用户身份的PIN码。EF的存放分为文件头和文件体两个部分。文件头中包含文件的标识符、访问权限和文件体的指针；而文件体中存放具体数据。
对IC卡的操作，是通过命令的方式实现的。实际上是通过命令对IC卡内文件的操作。增加功能即是增加文件，所以，下面着重就文件系统进行说明。
a．文件的空间结构
每个文件在EEPROM中的存放格式为：
COS整个的文件空间划分如下：
◆当建立完.MF之后，COS自动将整个EEPROM空间都分配给它。MF的文件头长度为13字节十文件名长度(5～16字节)。
◆每个DF所占空间=DF文件头空间(等同于MF)+DF下所有的文件空间之和。
◆二进制结构文件的空间=文件头空间(13字节)+EF所申请的空间。
◆定长记录和循环定长记录文件的空间=文件头空间(13字节)+记录数×记录长度。
◆变长记录结构文件的空间=文件头空间(13字节)+建立时申请的空间。
◆安全基本文件的空间一文件头空间(13字节)+密钥个数×(25字节)。
b．KEY文件及其文件中的密钥
每个DF或MF下有且只有一个KEY文件，在任何情况下密钥均无法读出。在KEY文件中可存放多个密钥，每个密钥为一条定长记录。记录中规定了其标识、版本、算法、属性及密钥本身等相关内容。
在满足KEY文件的增加权限时，可用Write KEY命令增加一条记录。只有在满足某个密钥的使用权限时才可以使用该密钥，在满足某个密钥的修改权限时才可以修改该密钥。
每种密钥具有其独立性，用于一种特定功能的密钥不可作为它用。本设计支持以下几种密钥：个人密码(PIN)、外部认证密钥、内部认证密钥、(Crypt密钥、PIN解锁密钥、PIN重装密钥、应用维护密钥等。
③ 安全体系。主要是对所传送的信息进行安全性的检查和处理，防止非法的窃听或侵入。安全体系包括3部分：安全状态、安全属性和安全机制。安全状态是指当前智能卡所处的一种系统状态，这种安全状态是在智能卡完成复位应答或完成某个命令后得到的；安全属性是智能卡执行特定的命令所需要的安全条件，只有满足了这个安全条件，命令才能执行；安全机制是指安全状态实现转移所采取的方法和手段，它是与安全状态和安全属性相联系的。
④ 命令解释。根据接收到的命令检查各项参数是否正确，执行相应的操作。
IC卡通过USB接口与终端之间使用命令与应答的通信机制，即终端，把命令送到1C卡，IC卡接收并处理后发送响应给终端。这种机制包括两种应用协议数据单元(APDU)——命令应用数据单元与响应应用数据单元。
命令应用数据单元包含两部分：固定的4字节命令头和长度可变的命令体，其内容为：
CLA字节代表命令的类型。
INS字节表示命令编码，P1和P2为具体命令参数。Lc字节表示数据的长度，只有一个字节表示，取值范围为1～115。如果Lc为0，表示没有数据域。
Le表示期望卡返回的数据长度，由单字节表示，取值范围为1～115。
响应应用数据单元也包括两部分：可能存在的响应数据体(应答体)和两个状态字节(应答尾部)，其内容为：
基于保密的原因，具体的命令代码和状态字节(SWl、SW2)的编码略。
(2)算法库的实现
算法库是一个根据不同需要可扩展的函数库。目前，算法库里有：
◆对称加密算法——DES算法、3DES算法、RC2、RC4算法；
◆摘要(散列值)算法——SHA一1算法、MD5算法；
◆非对称加密算法——RSA算法、DSA算法、ECC算法。
以上算法全部在设备内实现。
2.2.2 USB接口层的软件设计
USB接口层软件主要完成计算机主机和客户端设备之间的数据传输，完成主机与IC卡之间交互的命令及响应。一方面将主机来的USB信息包转换成符合IS07816--4标准的智能卡可识别的命令，另一方面，根据IS07816--4标准，将智能卡的响应数据转化成USB数据包，上传给主机。
在USB的初始化中，完成终端设备USB的自举过程。考虑到设备与计算机之间的数据交换具有数量少、传输速度不要求很高的特点，因而将其配置为HID类设备，实现在WIN2000、Win Me等环境下免安装驱动程序的特点。本设备使用了3个端点：端点0用于控制信息的传输，端点1用于接收主机发来的数据，端点3用于向主机发送数据。
USB的消息处理过程是：USB发出中断请求，单片机响应中断，首先查看各中断寄存器，找出产生中断的事件，然后处理。程序的设计主要集中在中断处理服务程序上，如图2所示。
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