加密存儲芯片AT88SC1616的原理和應用技術

　　摘要：從加密存儲芯片AT88SC1616內部結構出發(fā)，詳細介紹該芯片的功能、特點和基本工作原理；給出通用的硬件接口電路和軟件編程實現(xiàn)；討論AT88SC1616在單處機與嵌入式系統(tǒng)中的應用。

    關鍵詞：加密存儲芯片 AT88SC1616 I2C總線 嵌入式系統(tǒng)

　　隨著嵌入式產(chǎn)品性能的日益提高，嵌入式系統(tǒng)在消費類電子、汽車、工業(yè)控制和通信等行業(yè)迅速普及；但由于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)成本高、研發(fā)周期長，使得關鍵技術的加密和重要數(shù)據(jù)的保密問題日益突出。如何在這些嵌入式系統(tǒng)中采用低成本、高效率的方法保護自己的科研成果不被非法仿制和剽竊，同時保存一些關鍵代碼或數(shù)據(jù)已成為困擾許研發(fā)工程師的問題之一。解決的辦法除了采用法律手段保護知識產(chǎn)權外，另一個更加簡單有效的方法就是采用加密存儲芯片進行硬件電路的加密和重要數(shù)據(jù)的認證存儲。

　　AT88SCxx系列加密存儲芯片是國際著名芯片廠商Atmel公司生產(chǎn)的具有多用途的加密存儲系列芯片。其中AT88SC1616是該系列芯片的典型代表。由于其具有多達2KB的EEPROM，利用I2C串行總線通信，采用認證或加密驗證等方式進行數(shù)據(jù)訪問，因此以其容量大、體積小、使用方便、安全可靠等特點，在產(chǎn)生開發(fā)中得到了廣泛的應用。

1 器件簡介

1.1 引腳說明

　　如圖1所示，在嵌入式系統(tǒng)中，AT88SC1616常采用SOIC和PDIP兩種典型封裝。由于器件采用I2C串行總線接口，因此引腳數(shù)目少，體積小。各引腳功能如下：

　　SCL——串行時鐘輸入腳，用來控制器件所有的數(shù)據(jù)輸入相輸出；

　　SDA——串行數(shù)據(jù)輸入/輸出腳；

　　VCC——電源電壓，工作電壓為3.0～5.5V；

　　GND——地；

　　NC——不連接。

1．2 內部結構

　　如圖2所示，AT88SC1616加密存儲芯片內部結構主要由電源管理復位模塊、同步傳輸模塊、認證單元、密碼校驗單元、偽隨機數(shù)發(fā)生器和EEPROM等幾部分組成。其中電源管理復位模塊主要對芯片進行供電、提供復位管理和掉電保護等功能；同步傳輸模塊用于控制在不同通信方式下數(shù)據(jù)的傳輸；認證和密碼校驗單元實現(xiàn)在不同安全等級下用戶用戶應用區(qū)數(shù)據(jù)訪問的安全管理；偽隨機數(shù)發(fā)生器用于進行內部加密機的加密計算；EEPROM則保存需要加密的重要數(shù)據(jù)和代碼。

1．3 主要特點

　?、倬哂?56B的配置存儲區(qū)，可根據(jù)不同需要定義芯片序列、密碼、密鑰、認證種和廠家信息等。

　?、谔峁?KB的用戶應用存儲區(qū)，可根據(jù)不同安全等級將該區(qū)劃分為16個獨立的應用分區(qū)，最多可以提供給16個用戶使用；也可將具有相同安全等級和密碼的多個應用分區(qū)進行合并。

    ③高安全性。對于用戶民應用區(qū)，具有標準訪問、認證訪問和加密驗證訪問兩種方式，同時提供多組密碼集供讀寫訪問使用。每個應用分區(qū)在配置區(qū)中都有相應的寄存器控制其安全等級和訪問方式。

　　④高可靠性。提供多達10萬次擦寫次數(shù)和10年的數(shù)據(jù)保存期。

　?、荻喾N封裝。除8腳的PDIP、SOIC封裝外，還具有智能卡片封裝，可廣泛應用于IC卡系統(tǒng)。

　?、薷咚俣?。在I2C串行總線方式下，通信速率最高可達1000kb/s。

2 工作原理

2.1 配置區(qū)結構

　　AT88SC1616邏輯加密芯片是一款串行EEPROM，共有2KB的用戶應用存儲區(qū)和256B的系統(tǒng)配置區(qū)，應用存儲區(qū)通過配置可劃分成16個相同容量的應用存儲區(qū)。分別受8套（16個）讀、寫密碼的控制，錯誤計數(shù)最大8次。這16個應用分區(qū)也可以通過配置使用相同的密碼和安全等級可自由合并使用。AT88SC1616配置區(qū)的結構如圖3所示。

　?、貲CR：指定認證次數(shù)限制和芯片地址。

　?、贏R0～AR7：確定訪問權限，初始化時定義，指定對應的用戶應用區(qū)訪問方式，例如是否需要認證，是否使用密碼，使用哪一套密碼，是否只讀等等。

　?、跘AC：認證錯誤計數(shù)器。

　?、躊AC：密碼錯誤計數(shù)器。

    供用戶使用的16個應用存儲區(qū)都各有2個24位的密碼，可在配置區(qū)對其讀寫操作進行設置，并且每個密碼都有計數(shù)器限制口令驗證次數(shù)。

2．2 芯片使用

　　AT88SC1616芯片為用戶訪問應用存儲區(qū)提供了標準、認證和加密三種方式，既方便用戶根據(jù)實際情況靈活選擇加密方式，又提高了系統(tǒng)的安全性。在標準訪問方式下，對用戶應用區(qū)的讀寫訪問無任何限制；在認證方式下，用戶必須經(jīng)過認證，同時要通過不同用戶區(qū)所設定的密碼檢驗才能正確訪問用戶數(shù)據(jù)區(qū)，在這種方式下，總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是明文：加密驗證模式下訪問用戶時用戶必須首先經(jīng)過認證，然后利用認證成功后配置區(qū)特定寄存器中更新的數(shù)據(jù)作為密鑰再次進行認證，最后還要通過不同用戶區(qū)設定的密碼檢驗后才可訪問用戶區(qū)，這種方式下總線下傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是經(jīng)過加密的密文。

　　總體來說，對芯片的使用可分成初始化、認證（加密）和訪問三個步驟。

（1）初始化

　　初始化的過程，用戶系統(tǒng)的MCU要將生產(chǎn)廠商信息、分區(qū)設備、安全等級和密碼以及加密認證所需參數(shù)等寫入芯片的配置區(qū)，最后還要進行寫熔斷的處理。在實現(xiàn)的過程中，應重點考慮如何對AT88SC1616的2K配置區(qū)進行合理的配置和使用，對訪問用戶分區(qū)的權限進行有效的控制。

　　在對配置區(qū)進行合理配置的同時，要將從證所需的三組重要的參數(shù)寫入到配置區(qū)相應的寄存器中。這三組數(shù)分別是：Ci(Cryptograms)認證所需的隨機數(shù)，Nc(Identification Number)芯片序列號，Gc(Secret Seeds)由用戶自定義的F1算法得出的秘密種子。

　　初始化時，首先要向第七組寫密碼區(qū)中寫入配置區(qū)的寫入密碼。只有正確寫入該密碼后用戶才可以獲得對整個配置區(qū)的寫入權力，這個密碼由芯片供應商提供。正確寫入密碼后就可以根據(jù)要求對芯片的各個寄存器進行配置，最后還要根據(jù)用戶需要，按照SEC、PER、CMA、FAB的順序依次向熔斷位寫入0進行熔斷處理。注意，芯片一旦被寫熔斷后就無法再對配置區(qū)的信息進行更改。

（2）認證

　　整個認證過程是一個雙向認證的過程，流程如圖4所示。

　　用戶系統(tǒng)的MCU首先從芯片中讀出Nc和Ci，根據(jù)自定義的F1（Nc,Ks）算法算出Gc，同時利用芯片內部的F2（Gc，Ci，Q0）算法算出Q1，并向芯片發(fā)送初始化認證參數(shù)Q1和Q0，其中，Q0是CPU方給出的隨機數(shù)。芯片內部則利用自己的F2邏輯算出Ci+1=F2（Gc,Ci,Q0），同時得出Q2=F2（Gc,Q1）。芯片收到校驗認證命令后，判斷是否Ci+1=Q1，如是，則有Ci+2=F2(Gc,Ci+1)，且用Ci+2更新Ci，芯片中的認證通過；同時更新芯片內部同組的SK（Session Encryption Key）的值。CPU方接收芯片中更新的Ci后，判斷是否等于Q2，如果通過，則認證全部通過。

　　上面說的過程是認證模式，如果想進入加密難證模式的話，需要再次利用認證成功時返回更新的SK值，用它取代Gc，Ci再作為參數(shù)；利用F2函數(shù)，芯片和MCU方再計算一次并比較，判斷相等后才進入加密認證模式。

　　上面提到的F2算法，是芯片內部的控制邏輯利用Gc、Ci、Q0三個參數(shù)初始化的一個DES算法的變種。這個算法是所有加密解密、完整性認證與信息認證的關鍵。

（3）訪問用戶區(qū)

　　認證（加密）成功后就可以發(fā)送命令選擇用戶分區(qū)進行數(shù)據(jù)的讀寫訪問了，如果各個分區(qū)還有讀或寫的密碼限制，則還需要向訪問 的分區(qū)寫入密碼進行校驗，通過這一步后才能真正完全訪問用戶分區(qū)。此時如果多個用戶分區(qū)使用相同的安全等級和密碼，則可以將這多個用戶區(qū)進行合并。需要說明的是，認證一旦成功后，芯片內部的加密機就立即開始啟動，MCU對芯片的任何操作都需要根據(jù)芯片加密機內部算法進行計算，以保持與它的同步。特別是向用戶分區(qū)發(fā)送一次寫入命令和數(shù)據(jù)后，要緊接著發(fā)送一次MCU方計算的加密機結果，與芯片內部加密機計算的結果進行校驗。芯片只有接收到正確的校驗和后才能將數(shù)據(jù)寫入到相應的地址內，否則數(shù)據(jù)寫不到目的地址，同時芯片會返回錯誤信息。

3 芯片功能實現(xiàn)

3．1 硬件電路

　　由于AT88SC1616加密芯片采用兩線的I2C總線通信方式，因此與微處理器的硬件接口相對容易。圖5是AT88SC1616與AVR單片機Atmegal128相連的硬件接口電路。由于Atmegal 128內部帶有I2C接口，因此它可與AT88SC1616直接相連。在其它嵌入式系統(tǒng)中，AT88SC1616與其它微處理器的接口同樣簡單，只要與相應的I2C接口引腳直接相連即可。如系統(tǒng)的MCU沒有專用I2C接口引腳，可使用一般的I/O引腳（GPIO）與AT88SC1616的時鐘線和數(shù)據(jù)線相連，采用I2C模擬方式就可以正常工作。但無論是否進行I2C的模擬，其總線上一定要保證符合I2C總線要求的上拉電阻，以保證其時序的正確無誤。

3.2 軟件實現(xiàn)

　　AT88SC1616采用兩線的I2C通信方式，其控制時序比較簡單，本文不再多述。這里重點講述一下芯片使用工作過程。

    AT88SC1616的初始化流程如圖6所示。按照寫入配置區(qū)密碼、區(qū)分訪問方式和讀寫密碼、安全限制和認證參數(shù)、熔斷處理的順序，以I2C的通信方式向芯片內部各寄存器地址發(fā)送命令和數(shù)據(jù)。由于AT88SC1616內部有一內存測試區(qū)（memory test）不受安全和密碼限制，因此為保證I2C讀寫時序的正確性，可先向該區(qū)進行讀寫測試，然后再向芯片正確寫入各種命令。

　　用戶認證流程如圖7所示。無論系統(tǒng)MCU是采用本身I2C接口，還是使用普通I/O口進行I2C模擬，軟件的實現(xiàn)都遵循如前所述的總線時序。需要注意的是，在啟動I2C START信號前，SCL一定要首先發(fā)送4個脈沖來啟動通信，否則發(fā)送的數(shù)據(jù)和命令不會被芯片正確接收。這一點與普通I2C器件有所不同，一定要得到重視。

　　訪問用戶分區(qū)的流程如圖8所示?？上认蛴脩舴謪^(qū)寫入數(shù)據(jù)后再讀出以進行校驗。編程時要注意，認證一旦成功，MCU所有對芯片的操作都要加上對內部加密機的計算，對芯片發(fā)送命令和數(shù)據(jù)后要緊接著發(fā)送校驗和，以和芯片內部的加密機進行校驗，校驗和不正確芯片會返回錯誤信息。

4 在嵌入式系統(tǒng)中的應用

　　由于AT88SC1616具有使用方便、安全可靠等諸多優(yōu)點，使其在工業(yè)控制、消費類電子、醫(yī)療器械、計費系統(tǒng)等領域具有廣闊的應用前景。筆者已將該芯片用于已開發(fā)的選擇性漏電保護系統(tǒng)中。在這個系統(tǒng)中的64條供電支路被人為劃分成4個區(qū)，每個區(qū)設定獨立的電壓、電流和相位。針對不同區(qū)的管理員，還設定不同的用戶名和密碼，這些參量都被保存在AT88SC1616的用戶使用區(qū)中。我們在維護系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全性方面采用的辦法是，在程序中對這些參量的讀寫訪問都設定了密碼，密碼不正確是不能讀寫這些參量的，保證了只有真正的供電分區(qū)管理員才可對相應區(qū)的系統(tǒng)參數(shù)進行設定；同時采用加密驗證訪問方式，使得總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是密文，維護了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性。為防止有些不良用戶利用非法手段獲取系統(tǒng)時序進行反匯編，以此達到破解系統(tǒng)牟取高額利潤的目的，也采用了兩個辦法來保證整個系統(tǒng)的安全性，一是系統(tǒng)中不定期地對芯片進行認證訪問，系統(tǒng)一次認證不成功就返回錯誤信息；第二是對非法的認證訪問數(shù)進行錯誤限制，錯誤一旦超過8次，芯片鎖死，從而維護了我們的知識產(chǎn)權。

　　出于安全考慮，每個芯片要使用唯一的序列號。筆者還根據(jù)實際情況設計了一款針對AT88SC1616的簡單實用的編程器，利用該編程器可在芯片正式使用之間對其初始化，將序列號、認證參數(shù)、安全等級、訪問密碼等各種信息寫入配置區(qū)，使得每一個被初始化的芯片都可以直接在其它系統(tǒng)中應用，大大提高了效率。

結語

　　本文詳細介紹了AT88SC1616的芯片結構、特點、數(shù)據(jù)存儲訪問原理，并以Atmega 128與其接口為例，給出了實用的硬件接口電路與軟件實現(xiàn)流程。由于AT88SC1616具有較大的存儲空間、嚴格的安全性能和簡單可靠性的高速數(shù)據(jù)傳輸方式，因此極大地提高了嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全性和適用性。我們已將此芯片成功應用于選擇性漏電保護的軟硬件加密系統(tǒng)中。事實證明利用該芯片既提高了系統(tǒng)的防破解性，又保證了重要數(shù)據(jù)的安全性。另外，我們還根據(jù)其特點設計了可用于初始化該芯片的編程器，為大批量生產(chǎn)提供了硬件條件，獲得了良好的效果。AT88SC1616良好的安全性使得它還可更廣泛地應用于遠程抄表、醫(yī)療器械、機頂盒、汽車、通信、消費類家電等嵌入式系統(tǒng)。本文所介紹的方法對這些應用都有很好的參考價值。