單片機(jī)SRAM工藝的FPGA加密應(yīng)用

       2 對SRAM工藝FPGA進(jìn)行有效加密的方法

       由于SRAM工藝的FPGA上電時(shí)的配置數(shù)據(jù)是可以被復(fù)制的，因此單獨(dú)的一塊FPGA芯片是無法實(shí)現(xiàn)有效加密的。FPGA芯片供應(yīng)商對位數(shù)據(jù)流的定義是不公開的，因此無法通過外部的配置數(shù)據(jù)流信息推測內(nèi)部電路。也就是說，通過對FPGA配置引腳的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣可得到配置信息。但也不能知道內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)。如果在配置完成后使FPGA處于非工作狀態(tài)，利用另外一塊保密性較強(qiáng)的CPU產(chǎn)生密碼驗(yàn)證信息與FPGA進(jìn)行通信，僅在驗(yàn)證成功的情況下使能FPGA正常工作，則能有效地對設(shè)計(jì)進(jìn)行加密。具體電路結(jié)構(gòu)見圖2。

       系統(tǒng)加電時(shí)，由單片機(jī)對SRAM工藝的FPGA進(jìn)行配置。配置完成時(shí)，F(xiàn)PGA內(nèi)部功能塊的使能端為低，不能正常工作。此時(shí)，單片機(jī)判斷到配置完成后，將ASET信號(hào)置為高電平，使能FPGA內(nèi)的偽碼發(fā)生電路工作；同時(shí)，單片機(jī)產(chǎn)生一個(gè)偽碼驗(yàn)證信息，在FPGA中將兩路偽碼進(jìn)行比較，兩者完全匹配時(shí)，F(xiàn)PGA內(nèi)部電路正常工作，否則不能正常工作。加密電路主要利用了配置完成后處于空閑狀態(tài)的單片機(jī)和FPGA內(nèi)部分邏輯單元，沒有增加硬件成本。

       由上述討論可知，系統(tǒng)的加密能力主要由CPU的加密能力決定。這就要求CPU的加密算法要足夠復(fù)雜，使得對驗(yàn)證信息的捕獲與識(shí)別足夠困難。最常見的加密算法就是產(chǎn)生兩個(gè)偽隨機(jī)序列發(fā)生器：一個(gè)位于SRAM工藝的FPGA內(nèi)；另一個(gè)位于CPU內(nèi)。當(dāng)兩者匹配時(shí)，通過驗(yàn)斑點(diǎn)。對PN碼有兩點(diǎn)要求：一方面，要求偽隨機(jī)序列的長度足夠長，使得要捕獲整個(gè)序列不太可能；另一方面，偽隨機(jī)序列的線性復(fù)雜度要足夠高，使推測偽隨機(jī)序列的結(jié)構(gòu)不易實(shí)現(xiàn)。

       通常采用的偽隨機(jī)碼發(fā)生器的反饋電路如圖3所示。實(shí)際中，可采用級(jí)數(shù)較高的線性反饋移位寄存器來產(chǎn)生偽隨機(jī)碼。如采用40級(jí)線性移位寄存器產(chǎn)生的最大序列的周期為2?40=10?12。若將所有偽隨機(jī)碼截獲并存儲(chǔ)，就需要1000Gb的存儲(chǔ)空間；若碼速率為50Kbps，捕獲時(shí)間將長達(dá)5555小時(shí)；當(dāng)增加移位寄存器的級(jí)數(shù)時(shí)，所需的存儲(chǔ)空間和捕獲時(shí)間都會(huì)呈指數(shù)增長，以至于難以實(shí)現(xiàn)。采用較為簡單的線性反饋電路被推測出反饋結(jié)構(gòu)的可能性較大，因此實(shí)際的系統(tǒng)中，除了級(jí)數(shù)要較多之外，往往通過對多個(gè)線性移位寄存器產(chǎn)生的偽碼進(jìn)行特定運(yùn)算產(chǎn)生長碼，以增加所產(chǎn)生偽碼的線性復(fù)雜度。

       3　FPGA內(nèi)的校驗(yàn)工作電路

       在此采用40級(jí)線性反饋移位寄存器來產(chǎn)生偽隨機(jī)碼，特征多項(xiàng)式為20000012000005（八進(jìn)制表示）。其移位寄存器表示形式為：Bin=B23?XOR?B21XORB2XORB0，F(xiàn)PGA內(nèi)工作電路見圖4。

       在上電之后，單片機(jī)將圖4中的電路配置在FPGA中。配置完成后，單片機(jī)發(fā)送的ASET信號(hào)由低電平跳變?yōu)楦唠娖?，使得FPGA內(nèi)的PN碼產(chǎn)生電路開始工作，并于CPU發(fā)送過來的PN碼進(jìn)行比較。比較結(jié)果一致就使能USER_DESIGN模塊正常工作。其中PLL_BITSYS模塊用來發(fā)生VERIFY_PN的位同步時(shí)鐘，采用微分鎖相原理實(shí)現(xiàn)。各種參考資料都有較多介紹，在此不再詳述。

       COMPARE_PN模塊完成對單片機(jī)發(fā)送的偽隨機(jī)碼和PNMA_PRODUCER模塊產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼的比較：當(dāng)兩路相同，輸出1，不同時(shí)輸出0；若兩路偽碼完全匹配，則恒定輸出1，使USER_DESIGN電路正常工作，否則，輸出為類似于偽碼的信號(hào)，使USER_DESIGN電路不能正常工作。

       4　FPGA內(nèi)的偽隨機(jī)碼產(chǎn)生電路

       PNMA_PRODUCER模塊和來產(chǎn)生偽隨機(jī)碼 ，采用移位寄存器實(shí)現(xiàn)，具體電路見圖5。LPM_SHIFTREG為移位寄存器模塊。移位寄存器ASET端為異步置位端，高電平有效，即ASET為高時(shí)，將初值85置入移位寄存器內(nèi)，LPMSHIFTREG模塊的“DIRECTION”設(shè)置為“RIGHT”即移位方向?yàn)橛乙?。Q[39..0]表示40位移位寄存器的各個(gè)狀態(tài)，SHIFTIN為串行輸入，SHIFTIN為Q0、Q2、Q21、Q23四個(gè)狀態(tài)異或運(yùn)算的結(jié)果。

       系統(tǒng)加電時(shí)，單片機(jī)將ASET置為低電平，經(jīng)過一個(gè)非門，變成高電平使移位寄存器處于置位狀態(tài)。在配置完成后，單片機(jī)將ASET信號(hào)置為高電平，經(jīng)非門使移位寄存器正常工作。利用移位寄存器電路產(chǎn)生偽隨機(jī)碼的電路非常簡單，反饋邏輯也便于修改。

       5　單片機(jī)驗(yàn)證偽碼的程序

       在位尋址區(qū)（20H～2FH）定義了字節(jié)變量WORD1、WORD2、WORD3、WORD4、WORD5，用來存儲(chǔ)移位寄存器的40個(gè)狀態(tài)。其中Q0對應(yīng)WORD1.0，Q1對應(yīng)WORD1.1……Q39對應(yīng)WORD5.7。同時(shí)，在位尋址區(qū)定義了WORD6、WORD7、WORD8、WORD9，用來進(jìn)行后面的反饋邏輯計(jì)算。單片機(jī)一上電，首先將ASET腳清零，同時(shí)，也將PNMA腳清零，將初值55H作為移位寄存器的初始狀態(tài)，接著完成FPGA的上電配置工作。配置完成后，單片機(jī)檢測來自FPGA的外部中斷CONFDONE。如果配置完成，CONFDONE為高電；否則，為低電平。在檢測到CONFDONE為高電平，即配置完成后，單片機(jī)將ASET腳置為1，使能FPGA內(nèi)的偽碼發(fā)生電路工作，單片機(jī)產(chǎn)生偽隨機(jī)碼的流程。配置完成后，首先將Q0輸出到PNMA引腳，接著計(jì)算反饋邏輯輸入，將參與反饋運(yùn)算的幾個(gè)狀態(tài)運(yùn)算結(jié)果存在中間變量MID_VARY中。然后，對各個(gè)狀態(tài)進(jìn)行右移，為了提高運(yùn)算效率，使用了帶進(jìn)位C的字節(jié)循環(huán)右移指令。移位完成后，將MID_VARY存入Q39，再將新的Q0輸出到PNMA引腳，程序循環(huán)執(zhí)行產(chǎn)生偽隨機(jī)碼。

      單片機(jī)核心源程序如下：

       CLR　ASET；單片機(jī)上電后將ASET位清0
       CLR　PNMA
       MOV　WORD1，#55h
       MOV　WORD2，#0
       MOV　WORD3，#0
       MOV　WORD4，#0
       MOV　WORD5，#0；將55H作為移位寄存器的初值PEIZHI：
       ……；進(jìn)行FPGA的配置工作
       JB　CONFDONE，PNPRODUCE；根據(jù)CONFDONE判斷配置是否完成
       LJMP　PEIZHI；否則繼續(xù)配置
       PNPRODUCE：SETB　ASET；配置完成后，將ASET腳置1
       XMQLOOP：MOV　C，Q0
       MOV　PNMA，C；將Q0輸出到PNMA引腳，作為PN碼
       MOV　C，Q0
       MOV　WORD6.0，C；用WORD6單元的0位來存Q0的狀態(tài)
       MOV　C，Q2
       MOV　WORD7.0，C；用WORD7單元的0位來存Q2的狀態(tài)