如何為基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)進行安全升級？

如何防止器件“磚頭化”，只發(fā)出警告就夠了嗎?

“系統(tǒng)正在更新，請勿關閉電源。”我們都看到過這個警告，它通常在電子器件要在閃存安裝代碼更新時出現(xiàn)。如果更新被中斷，閃存將無法正確更新，代碼將會損壞，而器件無法運行，即“磚頭化” (bricked)。這種大家熟悉的警告存在的原因，是因為使用閃存的大多數(shù)半導體器件在編程或擦除操作期間需要一直供電。顯然，防止器件“磚頭化”是非常重要的。但是，只發(fā)出警告就夠了嗎?有些嵌入式器件甚至都沒有用戶顯示器，因此無法產(chǎn)生警告。在設計中如何才能確保可靠且安全的遠程系統(tǒng)更新呢?

嵌入式系統(tǒng)遠程升級的重要性

遠程升級對連接的嵌入式系統(tǒng)日益重要。通過互聯(lián)網(wǎng)遠程修復漏洞或增加新特性，可以節(jié)省大量的維護費用;當部署數(shù)千個嵌入式系統(tǒng)時，維護便是一個大問題了。隨著嵌入式系統(tǒng)安全問題的不斷增加，通過遠程安全定向代碼升級來修復潛在安全漏洞變得愈發(fā)重要。顯然，升級必須安全地完成，否則，攻擊算法便很容易利用不安全的更新來破壞系統(tǒng)。下面是一個典型系統(tǒng)的示例，有助于更好地了解安全可靠的遠程升級設施的要求。

系統(tǒng)示例——控制平面橋

通信或網(wǎng)絡機箱內(nèi)的控制平面橋(Control Plane Bridge)，是需要遠程更新的常見系統(tǒng)示例。這種子系統(tǒng)匯集了許多低速外設，比如模擬傳感器、電源管理模塊、風扇、故障記錄存儲器和利用I2C、 SPI和GPIO接口的狀態(tài)輸出。然后，可以采用速度更快的總線——可能是通信和連網(wǎng)機箱內(nèi)很常見的子系統(tǒng)接口PCIe，與低速外設直接通信。這種機箱控制子系統(tǒng)能夠實施智能匯聚功能，當規(guī)定啟動點被激活，例如到達最高溫度或最低電壓水平時，便會“推進”通信。圖1所示就是這樣一個系統(tǒng)，它是用配備片上微控制器的FPGA (通常稱為SoC FPGA) 實現(xiàn)的。

圖1 經(jīng)PCIe遠程升級的機箱控制平面橋

FPGA和閃存

在上面的例子中，遠程更新經(jīng)由PCIe總線實現(xiàn)，但并未對編程期間可能出現(xiàn)的斷電進行保護。讓我們看看常見的FPGA實施類型，從而更好地防范閃存遠程更新過程中突然斷電時可能出現(xiàn)的重大故障。

幾乎每個基于FPGA的系統(tǒng)都需要采用某種形式的非易失性存儲器來儲存配置存儲。一般說來，配置存儲器位于芯片外或芯片上。基于SRAM的FPGA需要外部閃存，用于上電時的配置?；陂W存的FPGA可以使用嵌在FPGA結構(結構嵌入閃存FPGA)內(nèi)的配置存儲器，或使用基于SRAM的結構，但將一個閃存塊放在芯片上(側面閃存FPGA)。

基于SRAM的FPGA通常使用NOR SPI閃存，因為它消耗的引腳數(shù)最少，幾家供應商有同樣的引腳輸出，而且密度高達1 Gb。目前的NOR SPI閃存器件擁有32位地址選擇，可擴展成為4GB器件，而且不需要改變指令和控制協(xié)議。當這種SPI閃存處于程序或擦除模式 (電荷泵啟動) 且電力消失時，會發(fā)生什么事情呢?電荷在哪里消失?是否有電路檢測到這些閃存的電力故障并將電荷安全地引導到地面?一般說來，正被寫入的頁面將出現(xiàn)數(shù)據(jù)損壞。

圖2 三種FPGA配置圖：帶外部配置閃存的基于SRAM的FPGA、側面閃存FPGA和嵌入閃存FPGA

側面閃存FPGA系統(tǒng)采用較寬的片上數(shù)據(jù)總線在上電時載入基于SRAM的配置存儲。通常，這種方法載入配置比基于SRAM的FPGA要快，因為后者是采用外部閃存來配置器件的。但是，這種方法存在程序或擦除周期期間功率損失的問題。電荷去了哪里?閃存是否被破壞?是否僅寫入頁面被破壞?整個閃存都存在風險?FPGA是否能夠檢測被破壞的片上存儲器，或者，在上電期間，被破壞的數(shù)據(jù)是否被載入到配置存儲器內(nèi)?

閃存的破壞是個問題，如何確保遠程數(shù)據(jù)的安全也非常重要。當嵌入式產(chǎn)品可由終端用戶訪問時，就存在被篡改的可能。為了防止攻擊，必須同時采用軟件和硬件的安全功能。僅對遠程配置數(shù)據(jù)文件進行加密遠遠不夠。雖然這種軟件加密安全有用，但是還必須將解密數(shù)據(jù)的硬件 (FPGA) 置于安全保護內(nèi)。當用戶訪問嵌入式器件時，加密數(shù)據(jù)文件很容易被提取。利用價格便宜的電磁探針和進行差分功耗分析 (DPA) 即可實現(xiàn)這一點。采用這種方法提取FPGA安全密匙的例子很多。如果FPGA并未內(nèi)置DPA對抗措施，則任何遠程更新都存在安全風險。當用戶能夠訪問嵌入式產(chǎn)品時，如果沒有DPA對抗措施，便如同中門大開，沒有安全可言。

在嵌入閃存的FPGA中，配置儲存在芯片上，并緊密集成在FPGA結構內(nèi)。例如，在美高森美SmartFusion2和IGLOO2 flash FPGA上，可經(jīng)由外部通信端口如USB、PCIe或JTAG等進行編程，整個編程過程由片上專用編程接口管理。此外，SmartFusion2和 IGLOO2 FPGA使用了一種稱為“在應用中編程”(IAP)的高級編程機制，即便在編程期間有功率損耗的情況下，仍可提供可靠且安全的編程。讓我們看看如何采用 IAP機制來實現(xiàn)目前嵌入式系統(tǒng)需要的可靠遠程升級的能力。

在基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)可靠且安全的遠程更新

嵌入閃存的FPGA可以提供更容易支持安全可靠的遠程更新所需的關鍵功能。例如，SmartFusion2擁有實施關鍵橋接功能及安全和IAP功能需要的所有主流FPGA特點。如圖3所示，低速接口可以采用I2C和GPIO連接。高速主機接口PCIe則作為不需要FPGA結構的專用端口。

圖3 SmartFusion2“在應用中編程”(IAP)支持機箱控制平面橋，以實現(xiàn)安全可靠的遠程更新

片上處理器可以利用高速存儲子系統(tǒng)(HSMS)訪問大型內(nèi)部閃存來進行代碼儲存，訪問大型內(nèi)部SRAM來進行數(shù)據(jù)緩沖，而專用DDR控制器則在有需要時訪問其它外部存儲器。專用系統(tǒng)控制器提供編程期間使用的安全功能，以及遠程更新期間使用的IAP功能。圖4詳細描述了SmartFusion2 FPGA上可以提供的關鍵功能。