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随着信息技术的发展以及应用便利性的提高，智能卡在许多既需要强的安全保护又有低成本需求的应用中得到广泛的使用，例如认证、银行以及交通等。总之，智能卡的出现与发展已经并且进一步推动人类未来生活方式的革命性的变革，必将成为21世纪人类最重要、最便利、最不可或缺的工具，因此，我们应该对智能卡技术给予更多的关注。 在智能卡的所有技术中，智能卡操作系统是最为关键的部分。本文的目的就是要研究智能卡操作系统特别是其安全模块，并且设计实现了一个需求成本低但安全灵活的智能卡操作系统。 首先，介绍了智能卡应用背景以及智能卡技术的基本原理，使得读者对智能卡技术有一个全面而基本的了解；之后详细探讨了智能卡操作系统的几个关键模块，包括COS的工作原理、文件系统、传输模块以及命令处理；在第4章又深入研究了COS的安全管理模块，包括安全结构、密码技术以及密钥管理等；最后，在前面研究的基础上基于SOSSE系统及ATmega16平台设计并实现了安全的智能卡操作系统SMCOS。 在SMCOS的设计中，首先介绍了SMCOS的软硬件开发平台，然后描述了系统特性及其层次结构，最后讲述了SMCOS的软件系统设计与实现过程，主要讲述了SMCOS的软件架构、命令解释器、传输模块以及文件管理器的设计方法，特别对于SMCOS的安全环境管理进行深入的讲解及探讨，针对系统特点设计了安全的伪随机数生成方法；实现了AES加密服务模块，并针对AVR平台的特点进行了优化，使其在占用较小的代码空间的情况下达到较快的加密速度；改进了PIN的认证方法，对其传输过程提供了安全保护并采用了安全的验证方式以避免可能遭受的攻击：设计了相互认证命令，缩减了认证过程的时间消耗并提高了安全性。