用单片机实现SRAM工艺FPGA的加密应用 - FPGA/CPLD - 电子工程师

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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。


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2010-2-27 12:27:43 上传
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<strong>1 基于SRAM工艺FPGA的保密性问题</strong>

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。

<strong>2 对SRAM工艺FPGA进行有效加密的方法</strong>

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。


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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。


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<strong>3 FPGA内的校验工作电路</strong>

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。

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。

<strong>4 FPGA内的伪随机码产生电路</strong>

PNMA_PRODUCER模块和来产生伪随机码，采用移位寄存器实现，具体电路见图5。
LPM_SHIFTREG为移位寄存器模块。移位寄存器ASET端为异步置位端，高电平有效，即ASET为高时，将初值85置入移位寄存器内，LPMSHIFTREG模块的“DIRECTION”设置为“RIGHT”即移位方向为右移。Q[39..0]表示40位移位寄存器的各个状态，SHIFTIN为串行输入，SHIFTIN为Q0、Q2、Q21、Q23四个状态异或运算的结果。

图4

系统加电时，单片机将ASET置为低电平，经过一个非门，变成高电平使移位寄存器处于置位状态。在配置完成后，单片机将ASET信号置为高电平，经非门使移位寄存器正常工作。

利用移位寄存器电路产生伪随机码的电路非常简单，反馈逻辑也便于修改。

<strong>5 单片机验证伪码的程序</strong>

在位寻址区（20H～2FH）定义了字节变量WORD1、WORD2、WORD3、WORD4、WORD5，用来存储移位寄存器的40个状态。其中Q0对应WORD1.0，Q1对应WORD1.1……Q39对应WORD5.7。同时，在位寻址区定义了WORD6、WORD7、WORD8、 WORD9，用来进行后面的反馈逻辑计算。

单片机一上电，首先将ASET脚清零，同时，也将PNMA脚清零，将初值55H作为移位寄存器的初始状态，接着完成FPGA的上电配置工作。配置完成后，单片机检测来自FPGA的外部中断CONFDONE。如果配置完成，CONFDONE为高电；否则，为低电平。在检测到CONFDONE为高电平，即配置完成后，单片机将ASET脚置为1，使能FPGA内的伪码发生电路工作，单片机产生伪随机码的流程。配置完成后，首先将Q0输出到PNMA引脚，接着计算反馈逻辑输入，将参与反馈运算的几个状态运算结果存在中间变量MID_VARY中。然后，对各个状态进行右移，为了提高运算效率，使用了带进位C的字节循环右移指令。移位完成后，将MID_VARY存入Q39，再将新的Q0输出到PNMA引脚，程序循环执行产生伪随机码。

单片机核心源程序如下：
CLR ASET ；单片机上电后将ASET位清0
CLR PNMA
MOV WORD1，#55h
MOV WORD2，#0
MOV WORD3，#0
MOV WORD4，#0
MOV WORD5，#0；将55H作为移位寄存器的初值PEIZHI：
…… ；进行FPGA的配置工作
JB CONFDONE，PNPRODUCE；根据CONFDONE判断配置是否完成
LJMP PEIZHI ；否则继续配置
PNPRODUCE：SETB ASET ；配置完成后，将ASET脚置1
XMQLOOP：MOV C，Q0
MOV PNMA，C ；将Q0输出到PNMA引脚，作为PN码
MOV C，Q0
MOV WORD6.0，C ；用WORD6单元的0位来存Q0的状态
MOV C，Q2
MOV WORD7.0，C ；用WORD7单元的0位来存Q2的状态
MOV C，Q21
MOV WORD8.0，C ；用WORD8单元的0位来存Q21的状态
MOV C，Q23
MOV WORD9.0，C ；用WORD9单元的0位来存Q23的状态
MOV ACC，WORD6
XRL A，WORD7
XRL A，WORD8
XRL A，WORD9 ；通过异或指令，计算反馈逻辑
MOV C，ACC.0 ；反馈逻辑为Qin=Q0
；XOR Q2 XOR Q21 XOR Q23
MOV MID_VARY，C ；将运算后的状态存到MID_VARY中右移运算
MOV ACC，WORD1
RRC A ；移位Q7～Q0
MOV WORD1，A ；移位后，保存到WORD1单元中
MOV ACC，WORD2
RRC A ；移位Q15～Q8
MOV WORD2，A ；移位后，保存到WORD2单元中
MOV Q7，C ；将Q8的值赋到Q7
MOV ACC，WORD3
RRC A ；移位Q23～Q16
MOV WORD3，A ；移位后，保存到WORD3单元中
MOV Q15，C ；将Q16的值赋到Q15
MOV ACC，WORD4
RRC A ；移位Q31～Q24
MOV WORD4，A ；移位后，保存到WORD4单元中
MOV Q23，C ；将Q24的值赋到Q23
MOV ACC，WORD5
RRC A ；移位Q39～Q32
MOV WORD5，A ；移位后，保存到WORD5单元中
MOV Q31，C ；将Q32的值赋到Q31
MOV C，MID_VARY ；将前面反馈计算的值赋给Q39
MOV Q39，C
LJMP XMALOOP ；继续产生下一代PN码元


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<strong>6 其它加密方法介绍及比较</strong>

对SRAM工艺的FPGA进行加密，除了可以利用单片机实现外，还可以用E2PROM工艺的CPLD实现。与用单片机实现相比，利用CPLD的优点在于可实现高速伪码，但要在硬件电路中增加一块CPLD芯片，使整个硬件电路复杂化，增加了成本。本文提供的加密方法考虑到配置完成后单片机处于空闲状态，此时利用单片机进行加密，不需要增加任何电路成本，使得整个系统硬件结构十分简洁。本文提出采用长伪随机码来实现加密。如果采用其它的算法产生验证信息，并增加单片机与FPGA工作时信息实时交互，使得获取验证信息的难度足够大，也可以达到类似的加密效果。

<strong>参考文献</strong>

1. 宋万杰 CPLD技术及其应用 1999
2. 候伯亭.顾新 VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计 1999
3. 蔡美琴.张为民.沈新群 MCS-51系列单片机系统及其应用 1992
4. 沈允春 扩谱技术 1995
5. Ray Schouten A Whitepaper on SRAM FPGAsecurity
6. 刘晓明.王军.谢明钦 基于单片机的复杂可编程逻辑器件快速配置方法 [期刊论文] -电子技术应用2002(10)
7. 屈代明 可编程数字逻辑器件中数字锁相环的实现 [期刊论文] -石油仪器2000(2)

作 者：重庆大学 刘晓明 谢明钦 王军  
来 源：单片机与嵌入式系统应用2003（7）