智能卡COS底層無關(guān)性設(shè)計

蔡 姣，李代平

（廣東工業(yè)大學 計算機學院，廣東 廣州 510006）

智能卡在計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫處理技術(shù)、高頻技術(shù)、數(shù)據(jù)保護和密碼學等的應(yīng)用日趨廣泛，因此智能卡的數(shù)量也在直線上升，因此在各個卡之間應(yīng)用的移植問題引起了人們的關(guān)注。

智能卡操作系統(tǒng) COS（Chip Operating System）是針對某一種特定芯片開發(fā)的，該操作系統(tǒng)通常由芯片生產(chǎn)商開發(fā)，因為只有他們才真正了解芯片底層的技術(shù)細節(jié)。每個廠家芯片COS開發(fā)的環(huán)境都不一樣，在COS支持的上層應(yīng)用不變的情況下，當更換不同的硬件時，需要了解新硬件COS的開發(fā)環(huán)境、新硬件底層的技術(shù)細節(jié)，重新將上層邏輯應(yīng)用移植到新的硬件上時，移植的工作量非常大，不低于重新編寫一次COS，而且移植過后COS的穩(wěn)定性也需要重新測試，這樣極大制約了智能卡應(yīng)用的快速發(fā)展。另外，智能卡COS目前使用的開放式系統(tǒng)研發(fā)環(huán)境，存在較高的版權(quán)費用，軟件成本偏高；而使用自然語言開發(fā)的COS，目前大多使用層次結(jié)構(gòu)，效率較低，編寫的代碼量較大，降低了硬件的效率并增加了存儲成本。針對以上問題本文提出了解決不同硬件之間操作系統(tǒng)移植的解決方案。通過對COS結(jié)構(gòu)底層模塊的研究，結(jié)合Java卡的硬件無關(guān)的優(yōu)點，設(shè)計出與底層無關(guān)的COS。

1 COS結(jié)構(gòu)模型

智能卡的設(shè)計一般分為三層結(jié)構(gòu)：硬件抽象層、核心層和應(yīng)用層。其中硬件抽象層設(shè)計與智能卡芯片物理結(jié)構(gòu)相關(guān)的功能，使其對上層透明；核心層包含了智能卡的主要結(jié)構(gòu)和功能：卡啟動程序及初始化、內(nèi)外部認證、命令解析、安全問題及文件系統(tǒng)等核心功能；應(yīng)用層主要提供基于硬件抽象層和核心層的不同應(yīng)用。隨著技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用層將提供更多的有利且方便用戶的應(yīng)用[1]。智能卡結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能卡三層結(jié)構(gòu)圖

2 Java智能卡

Java卡是在智能卡硬件系統(tǒng)基礎(chǔ)上通過軟件構(gòu)造的一個支持Java程序下載/安裝并運行的軟/硬件系統(tǒng)。通過引入Java虛擬機技術(shù)，Java智能卡在保留了原有智能卡應(yīng)用的便捷、安全等特性的同時，繼承了Java技術(shù)的硬件無關(guān)特性，將智能卡應(yīng)用程序的開發(fā)同智能卡硬件系統(tǒng)相分離，簡化了應(yīng)用程序的開發(fā)，提高了應(yīng)用程序的可重用性。Java智能卡包括：智能卡硬件系統(tǒng)、與智能卡硬件系統(tǒng)相關(guān)的本地方法集、Java智能卡虛擬機JCVM、Java智能卡類庫、Java智能卡應(yīng)用管理組件、Java智能卡運行環(huán)境JCRE以及Java智能卡應(yīng)用[2]。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 Java卡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

智能卡COS與Java卡的區(qū)別：

從圖1、圖2可以看出，智能卡模塊之間的調(diào)用是直接利用下層的函數(shù)與各模塊的相互作用來實現(xiàn)應(yīng)用程序，而Java卡是通過一個虛擬機來實現(xiàn)。此虛擬機即是Java卡與硬件無關(guān)特性的關(guān)鍵模塊，卡內(nèi)的虛擬機負責依據(jù)不同的智能卡硬件和操作系統(tǒng)特性來執(zhí)行安裝到卡上的CAP文件中的字節(jié)碼。

3 智能卡的設(shè)計及其可行性分析

根據(jù)Java卡的特性，提供本地方法集將與硬件相關(guān)的問題包含在一個模塊內(nèi)，同時提供Java智能卡類庫，為應(yīng)用程序調(diào)用下層函數(shù)提供統(tǒng)一接口。同時Java智能卡類庫還包含了所有可能用到的類庫及應(yīng)用擴展類庫，以方便用戶安裝盡可能多的應(yīng)用。

將此思想應(yīng)用到C編寫的智能卡，可以將所有智能卡底層的硬件驅(qū)動全部包含進來，使得硬件驅(qū)動模塊成為硬件驅(qū)動集模塊，同時又保持API接口不變，這樣上層應(yīng)用設(shè)計時就不需改變調(diào)用接口，還是以同一接口調(diào)用，即可完成應(yīng)用的移植問題。

硬件驅(qū)動集，使上層都使用統(tǒng)一接口。考慮到所有函數(shù)調(diào)用都使用相同意義的參數(shù)，根本無法區(qū)別驅(qū)動集中的任一相應(yīng)函數(shù)。因此，不可能將所有驅(qū)動的參數(shù)都放到接口的參數(shù)列表中來調(diào)用對應(yīng)的底層函數(shù)。因為這樣從參數(shù)的個數(shù)來區(qū)別驅(qū)動集的函數(shù)不可行。為此本智能卡的設(shè)計采用了如下方法：

（1）借鑒網(wǎng)絡(luò)編程時，通過參數(shù)來指定協(xié)議確定通信，因此可以增加一個參數(shù)來指定智能卡的類型來確定需要調(diào)用的函數(shù)。例如對于readflash函數(shù)：void fs_read_Flash（unsigned char*XRamAddr，unsigned long sAddr，unsigned int Length）通過增加參數(shù)char TYPE來確定類型。此時函數(shù)變?yōu)椋?/p>

void fs_read_Flash（char TYPE，unsigned char*XRamAddr，unsigned long sAddr， unsigned int Length）然后通過swith…case即可以區(qū)分各個驅(qū)動函數(shù)從而實現(xiàn)驅(qū)動集的分類。而對于各個具體的驅(qū)動函數(shù)則通過它們的硬件名來命名其函數(shù)名以區(qū)分各個驅(qū)動函數(shù)。這樣就不會混合各個驅(qū)動函數(shù)。改進的微內(nèi)核層結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 改進的微內(nèi)核層結(jié)構(gòu)圖

此方法應(yīng)用到Java卡的類庫的特點是并非所有的庫函數(shù)都會用到，但對于所有的可能情況都考慮到了，因為智能卡的種類是有限的，因此通過swith語句來區(qū)分各個卡的驅(qū)動函數(shù)，此方法是可行的。

但此方法存在一個問題是：對于上層調(diào)用硬件驅(qū)動時需指明硬件類型，因此當硬件改動時，應(yīng)用層的移植需要修改所有硬件類型。雖然可利用工具查找并替換來完成，但這也是此方法的一個缺點。

此外，也可以將驅(qū)動層與硬件綁定，每個功能相同的驅(qū)動采用同一函數(shù)名，同時驅(qū)動層的各驅(qū)動的參數(shù)相同，因此在上層調(diào)用接口不變的情況下就可以調(diào)用不同硬件的相應(yīng)驅(qū)動，無需改變?nèi)魏魏瘮?shù)及參數(shù)。

（2）借鑒 Java卡的特點，可以將硬件與本地方法即硬件驅(qū)動綁定在一起，而上層接口保持不變。若各個與硬件綁定的驅(qū)動函數(shù)參數(shù)不一致，可以在函數(shù)內(nèi)部進行調(diào)整使得對上層接口保持一致性。

（3）最簡單的方法就是將所有的智能卡硬件設(shè)定一個規(guī)范，所有的智能卡都遵循此規(guī)范，這樣某一智能卡的COS在所有智能卡中都可以使用，某一智能卡上的應(yīng)用在其他智能卡上也可以同時使用，這樣就實現(xiàn)了智能卡的移植問題。即制造統(tǒng)一的智能卡芯片，所有的智能卡的硬件驅(qū)動層相同，此時上層調(diào)用的接口也相同，所有的應(yīng)用都是在相同的底層基礎(chǔ)上開發(fā)的，相互之間的移植也是完全適用的。

在智能卡的迅速發(fā)展中，對于此移植問題的解決，可以保證上層應(yīng)用開發(fā)的一致性，使得更多的應(yīng)用可以在卡間相互應(yīng)用，使智能卡的整體性能得到提升，應(yīng)用也更加廣泛。

[1]李春風.歐陽小星RF_SIM卡的多應(yīng)用COS研究與設(shè)計[J].計算機工程與應(yīng)用，2011（2）：57-59.

[2]張大偉.靳偉 Java智能卡原理與應(yīng)用開發(fā)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.