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(多图) 单片机SRAM工艺的FPGA加密应用

来源:中电网 / 作者:刘晓明 谢明钦等?? 2007年08月11日 ?? 收藏0

?????? 在现代电子系统设计中,由于可编程逻辑器件的卓越性能、灵活方便的可升级特性,而得到了广泛的应用。由于大规模高密度可编程逻辑器件多采用SRAM工艺,要求每次上电,对FPGA器件进行重配置,这就使得可以通过监视配置的位数据流,进行克隆设计。因此,在关键、核心设备中,必须采用加密技术保护设计者的知识产权。

?????? 1 基于SRAM工艺FPGA的保密性问题

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通常,采用SRAM工艺的FPGA芯片的的配置方法主要有三种:由计算机通过下载电缆配置、用专用配置芯片(如Altera公司的EPCX系列芯片)配置、采用存储器加微控制器的方法配置。第一种方法适合调试设计时要用,第二种和第三种在实际产品中使用较多。第二种方法的优点在于外围电路非常简单,体积较小,适用于不需要频繁升级的产品;第三种方法的优点在于成本较低,升级性能好。

?????? 以上几种方法在系统加电时,都需要将配置的比特流数据按照确定的时序写入SRAM工艺的FPGA。因此,采用一定的电路对配置FPGA的数据引脚进行采样,即可得到配置数据流信息。利用记录下来的配置数据可对另一块FPGA芯片进行配置,就实现了对FPGA内部设计电路的克隆。典型的克隆方法见图1。

电路克隆方法

?????? 2 对SRAM工艺FPGA进行有效加密的方法

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由于SRAM工艺的FPGA上电时的配置数据是可以被复制的,因此单独的一块FPGA芯片是无法实现有效加密的。FPGA芯片供应商对位数据流的定义是不公开的,因此无法通过外部的配置数据流信息推测内部电路。也就是说,通过对FPGA配置引脚的数据进行采样可得到配置信息。但也不能知道内部电路结构。如果在配置完成后使FPGA处于非工作状态,利用另外一块保密性较强的CPU产生密码验证信息与FPGA进行通信,仅在验证成功的情况下使能FPGA正常工作,则能有效地对设计进行加密。具体电路结构见图2。

电路结构

?????? 系统加电时,由单片机对SRAM工艺的FPGA进行配置。配置完成时,FPGA内部功能块的使能端为低,不能正常工作。此时,单片机判断到配置完成后,将ASET信号置为高电平,使能FPGA内的伪码发生电路工作;同时,单片机产生一个伪码验证信息,在FPGA中将两路伪码进行比较,两者完全匹配时,FPGA内部电路正常工作,否则不能正常工作。加密电路主要利用了配置完成后处于空闲状态的单片机和FPGA内部分逻辑单元,没有增加硬件成本。

?????? 由上述讨论可知,系统的加密能力主要由CPU的加密能力决定。这就要求CPU的加密算法要足够复杂,使得对验证信息的捕获与识别足够困难。最常见的加密算法就是产生两个伪随机序列发生器:一个位于SRAM工艺的FPGA内;另一个位于CPU内。当两者匹配时,通过验斑点。对PN码有两点要求:一方面,要求伪随机序列的长度足够长,使得要捕获整个序列不太可能;另一方面,伪随机序列的线性复杂度要足够高,使推测伪随机序列的结构不易实现。

?????? 通常采用的伪随机码发生器的反馈电路如图3所示。实际中,可采用级数较高的线性反馈移位寄存器来产生伪随机码。如采用40级线性移位寄存器产生的最大序列的周期为2?40=10?12。若将所有伪随机码截获并存储,就需要1000Gb的存储空间;若码速率为50Kbps,捕获时间将长达5555小时;当增加移位寄存器的级数时,所需的存储空间和捕获时间都会呈指数增长,以至于难以实现。采用较为简单的线性反馈电路被推测出反馈结构的可能性较大,因此实际的系统中,除了级数要较多之外,往往通过对多个线性移位寄存器产生的伪码进行特定运算产生长码,以增加所产生伪码的线性复杂度。

发生器反馈电路

?????? 3 FPGA内的校验工作电路

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在此采用40级线性反馈移位寄存器来产生伪随机码,特征多项式为20000012000005(八进制表示)。其移位寄存器表示形式为:Bin=B23?XOR?B21XORB2XORB0,FPGA内工作电路见图4。

FPGA内工作电路

?????? 在上电之后,单片机将图4中的电路配置在FPGA中。配置完成后,单片机发送的ASET信号由低电平跳变为高电平,使得FPGA内的PN码产生电路开始工作,并于CPU发送过来的PN码进行比较。比较结果一致就使能USER_DESIGN模块正常工作。其中PLL_BITSYS模块用来发生VERIFY_PN的位同步时钟,采用微分锁相原理实现。各种参考资料都有较多介绍,在此不再详述。

?????? COMPARE_PN模块完成对单片机发送的伪随机码和PNMA_PRODUCER模块产生的伪随机码的比较:当两路相同,输出1,不同时输出0;若两路伪码完全匹配,则恒定输出1,使USER_DESIGN电路正常工作,否则,输出为类似于伪码的信号,使USER_DESIGN电路不能正常工作。


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SRAM? 存储模块? 闪存?

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