基于通用接口芯片CH365的財稅安全卡設計

　　目前中國國內“金稅工程”經(jīng)過幾年的推廣實施，在全國范圍內己取得了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，在金稅工程中，最重要的是對于開票系統(tǒng)數(shù)據(jù)的保護，為了防止開票系統(tǒng)受病毒感染或被人為地破壞，絕大部分的單位都被要求專機專用，從而來確保系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定。

　　但隨著“金稅工程”的深入推廣，也暴露出了一些急待解決的問題∶首先，由于國稅局對于企業(yè)的防偽稅控開票系統(tǒng)有“專機專用”的要求，致使企業(yè)花費一萬多元購買的防偽稅控設備及計算機只能用于開具增值稅發(fā)票巨大的資源浪費;其次，隨著電子報稅、出口退稅等科技手段在企業(yè)中的應用以及企業(yè)財務管理的電子化，都必須依賴計算機處理，這必然會造成企業(yè)還需再投資一臺電腦給財務人員來處理這方面的工作，這對企業(yè)來說，是一種重復的投資;最后，防偽稅控的系統(tǒng)和數(shù)據(jù)，財務軟件和數(shù)據(jù)以及電子報稅系統(tǒng)和數(shù)據(jù)等都屬于企業(yè)的重要資料，如何保證其安全性，使其不會因為財務人員的誤操作、病毒等因素造成系統(tǒng)的崩潰，甚至重要數(shù)據(jù)資料的丟失，而影響企業(yè)的正常工作。

　　財稅安全卡的硬件實現(xiàn)

　　財稅安全卡的工作過程和工作原理是：利用PCI總線的擴展ROM機制，在安全卡上嵌入擴展程序，通過CH365的本地8位總線，接管并擴展BIOS的INT13H中斷，實時監(jiān)控系統(tǒng)的讀寫操作，根據(jù)設置進行過濾，確保讀寫操作的安全性，實現(xiàn)硬盤隔離和一機多用。相關硬盤系統(tǒng)引導分區(qū)等信息可以通過CH365的兩線串行主機接口保存在EEPROM上，達到動態(tài)分隔硬盤空間的目的，將一個硬盤分成相互隔離互不干擾的多個硬盤空間。

　　圖1：財稅安全卡硬件電路圖

　　PCI總線協(xié)議比較復雜，用戶可以根據(jù)具體實際需求選擇相應的開發(fā)方式。一般，PCI總線開發(fā)采用兩種方式：一是采用CPLD來設計控制接口。它的最大好處是比較靈活，用戶可以根據(jù)自己的需要開發(fā)出適合于特定功能的芯片，而不必實現(xiàn)PCI的全部功能?，F(xiàn)在有許多生產(chǎn)可編程邏輯器件的廠商，如Xilinx的LogiCore和Altera的AMPP都提供經(jīng)過嚴格測試的PCI接口功能模塊，用戶只要進行組合設計即可。由于PCI總線協(xié)議復雜，設計PCI控制接口難度較大，對于產(chǎn)品不大又有時限的工程項目來說，成本巨大。

　　二是采用通用PCI接口芯片，例如南京沁恒公司的CH365、AMCC公司的AMCCS5920和AMCCS5933，PLX公司的PLX9054和PLX9080等。通過專用芯片可以實現(xiàn)完整的PCI主控模塊和目標模塊的功能，將復雜的PCI總線接口轉換為相對簡單的用戶接口，用戶只要設計轉換后的總線接口即可，它能實現(xiàn)PCI規(guī)范所要求的所有硬件接口信號和配置空間寄存器，專用接口芯片具有較低的成本和通用性，能夠有效降低接口設計的難度，縮短開發(fā)時間,并能獲得較好的數(shù)據(jù)傳輸性能。

　　第二種方法適合于小規(guī)模的情況，能夠有效縮短開發(fā)時間以及成本投入，因此在設計財稅安全卡上選擇CH365 PCI接口芯片。CH365是一個連接PCI總線的通用接口芯片，支持I/O端口映射、存儲器映射、擴展ROM以及中斷。實現(xiàn)將基于32位PCI總線的從設備接口轉換為主動并行接口：8位數(shù)據(jù)、16位地址、I/O讀和寫、存儲器讀和寫。支持低電平有效的本地中斷請求，支持中斷共享。支持長度達240字節(jié)的I/O端口。支持本地硬件定址功能，自由選擇I/O地址，并在指定地址實現(xiàn)I/O端口?；贑H365的財稅安全卡硬件電路圖如圖1。

　　在本設計中，所使用的存儲器是華邦公司的W27C512，64K容量。存儲器容量根據(jù)安全卡擴展程序的大小選擇更大的存儲器，如128K等。EEPROM是Atmel公司的AT24C02，支持寫保護功能，能夠有效防止信息被篡改。圖1的財稅安全卡的硬件電路核心器件是PCI接口芯片CH365、W27C512和AT24C02，CH365的部分引腳連線直接與金手指(電路板和插槽之間的連接點)相連。

　　CH365通過MEM_RD與ROM芯片U2(27C512)連接。CH365支持EPROM和閃存，容量為32KB或者64KB，如果將SYS_EX用于A16地址線，則最大容量可達128KB。一般情況下CH365直接支持32KB容量的擴展ROM(即27C256芯片的容量)，但可以在擴展ROM的程序中通過控制A15地址線支持64KB容量的ROM芯片?？蛇x的下拉電阻R1用于CH365的工作模式設定，圖中的數(shù)據(jù)線D0被連接了下拉電阻，所以系統(tǒng)復位后，地址線A15為低電平，從而選擇U2的低32KB(偏移地址為0000H～7FFFH)，而在需要讀取U2的高32KB時(偏移地址為8000H～0FFFFH)，可以通過寫芯片控制寄存器的位0重新設定A15地址線來訪問ROM的高字節(jié)。

　　圖2：CH365的讀寫時序

　　另外，PCI擴展ROM的內容通常被BIOS復制到RAM內存中，所以需要設置CH365的擴展ROM基址以重新映射U2到存儲器空間。

　　CH365通過SYS_EX與EPPROM芯片U3(型號是AT24C02)連接，CH365的SCL信號線可以選用SYS_EX或者A15，系統(tǒng)復位后的默認選擇是A15，通常在A15用作地址線時選用SYS_EX，否則選用A15。因為SDA信號線同時是數(shù)據(jù)線D7，為了防止在SCL高電平期間由于SDA變化而產(chǎn)生不必要的誤操作，通常借助于工作模式設定使SCL信號線(SYS_EX或A15)在系統(tǒng)復位后保持低電平。CH365的兩線串行接口使用7位設備地址，可以同時連接多個設備。設備地址和命令寄存器的位7至位1為7位設備地址位，用以選擇從設備;位0為命令位，置0代表寫操作，置1代表讀操作。本設計中連接一個設備，通過數(shù)據(jù)線D7保存相關的硬盤引導分區(qū)的信息，同時通過“LOCK”信號可以對設備進行寫保護，防止信息篡改等。CH365的讀寫時序如圖2。

　　財稅安全卡的擴展程序設計

　　PC機中的擴展ROM相當于一個電子盤，如果在其中寫入引導程序和應用程序，即使計算機沒有硬盤和操作系統(tǒng)，擴展ROM中的引導程序和應用程序也能夠控制計算機實現(xiàn)某些特定的功能。例如，無硬盤PC機用于工業(yè)控制，控制外部設備及作業(yè)流程等。

　　財稅安全卡就是應用到PCI總線的擴展ROM，通過特定的擴展引導應用程序，在計算機啟動進入硬盤時有效地接管和控制硬盤引導，以達到動態(tài)分隔硬盤空間將一個硬盤分成相互隔離，互不干擾的多個硬盤空間，可以根據(jù)用戶需求引導進入相應的系統(tǒng)和使用相應的空間。

　　擴展引導應用程序主要包括PC引導控制權接管模塊、動態(tài)隔離硬盤空間模塊，多系統(tǒng)引導模塊(其中包含I2C讀寫模塊)。通過豐富擴展引導引用程序，可以實現(xiàn)基于BIOS級的系統(tǒng)分區(qū)備份、系統(tǒng)數(shù)據(jù)備份、系統(tǒng)拷貝等功能。

　　1. PC引導控制權接管的實現(xiàn)

　　在PC的BIOS自檢中，硬件設備檢測正常通過后，就開始把系統(tǒng)引導控制權即根據(jù)用戶指定的啟動順序遞交給軟盤、硬盤或光驅啟動。以從C盤啟動為例，系統(tǒng)BIOS將讀取并執(zhí)行硬盤上的主引導記錄，主引導記錄接著從分區(qū)表中找到第一個活動分區(qū)，然后讀取并執(zhí)行這個活動分區(qū)的分區(qū)引導記錄，而分區(qū)引導記錄將負責讀取并執(zhí)行IO.SYS，這是DOS和Windows9x最基本的系統(tǒng)文件。

　　擴展ROM程序首次獲得CPU控制權,修改系統(tǒng)自舉中斷INT19以便在引導操作系統(tǒng)前被初始化，重新編寫新INT19中斷服務程序，使用INT7B中斷向量作為返回地址。

　　BOOT_ROM_INIT: PUSH DX;保存寄存器

　　PUSH BX

　　MOV DH, 80H;位7置1則自動檢測主板的BIOS

　　MOV DL, 0FFH;指定初始化方式,為0FFH則自動檢測

　　MOV BX, OFFSET ROM_INT19;指定新INT19程序的偏移地址_ROM_INT19,

　　CALL INIT_ROM;ROM初始化程序，返回DL為實際使用的初始化方式

　　POP BX

　　POP DX

　　RETF;ROM初始化完成后返回，必須是遠程返回

　　2. 動態(tài)隔離硬盤空間的實現(xiàn)

　　可以利用硬盤特性“AddressOffsetMode”和“SetMax”來有效地縮小硬盤空間，使得動態(tài)隔離硬盤空間，其中通過獲取硬盤I/O端口的基址來設置硬盤最大邏輯塊尋址(LBA)地址。傳統(tǒng)的縮小硬盤空間采用的是隱藏分區(qū)，通過修改系統(tǒng)分區(qū)表的系統(tǒng)標志位達到隱藏分區(qū)效果，此方法安全性低，不能有效地隔離硬盤，在財稅安全方面達不到安全性能要求。

　　3. 多系統(tǒng)引導模塊的實現(xiàn)

　　多系統(tǒng)引導根據(jù)用戶選擇啟動相應的系統(tǒng)，去選擇相應的引導程序，這里有別于計算機多重引導啟動(邏輯隔離)原有的系統(tǒng)引導程序，它是簡單的單分區(qū)單系統(tǒng)啟動模式，即固定讀入硬盤活動分區(qū)引導記錄以實現(xiàn)對系統(tǒng)的引導，而活動分區(qū)是相對固定的。重寫的系統(tǒng)引導程序實現(xiàn)了多分區(qū)多系統(tǒng)啟動模式，可以將硬盤任一分區(qū)視作活動分區(qū)，讀入該分區(qū)引導記錄以引導系統(tǒng)，本設計中采用的是通過加載多重引導信息扇區(qū)，檢驗數(shù)據(jù)的有效性，在加載過程中動態(tài)設置硬盤分區(qū)信息。