基于单片机SRAM工艺的FPGA加密应用

冬1988

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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       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。
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! ^4 y, R) ]4 P6 T　　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。

       2 对SRAM工艺FPGA进行有效加密的方法

& m, c) _( e7 x9 j# K( a: j　　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。

　　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。

       3　FPGA内的校验工作电路
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6 }& w) k# R( h7 o       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。

/ G7 Q7 \, W5 E       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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       4　FPGA内的伪随机码产生电路
( e5 _. C, {' ^2 c( Z' d
1 ]% s* a8 Y) }, L+ I( X3 ?; M       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。
  |- S  J/ K: R1 T; s8 G/ o　　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。
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- N. Z( I4 ~( e* O# g       5　单片机验证伪码的程序
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　　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：
* P- H- B& o$ ?0 Y9 l
# f8 O7 k9 I! I) E4 C       CLR　ASET；单片机上电后将ASET位清0
; B, k& [) z" E' U/ V7 V6 w       CLR　PNMA
       MOV　WORD1，#55h
* v. X, w9 u( H       MOV　WORD2，#0
       MOV　WORD3，#0
6 X' Y. O* v/ f, j8 Y3 t: }       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
# ~! W- k2 I) E+ Z* D       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
( ]3 H5 |* g% ^9 d5 S. `% g. {       MOV　PNMA，C；将Q0输出到PNMA引脚，作为PN码
' t$ q+ v# i1 R' k       MOV　C，Q0
, b1 [6 B( _7 Q2 K8 v' C3 ~+ f       MOV　WORD6.0，C；用WORD6单元的0位来存Q0的状态
, b) }% ~9 F" Y2 N3 O! l. ~       MOV　C，Q2
. N* i  L* L3 x" [' |+ L2 h$ M       MOV　WORD7.0，C；用WORD7单元的0位来存Q2的状态
1 X: {" q% C  ~) h! T" ]9 j& z       ; 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
/ I4 }6 ^; W$ T9 f3 q; k% b. v       MOV　ACC，WORD6
2 D6 R6 {" Z/ j# i) E6 k       XRL　A，WORD7
       XRL　A，WORD8
' F& X! d" R- b+ W9 i       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；
7 `! q) Q/ }1 Q1 ~1 ~       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
$ p6 c! }6 a6 r( ]8 {+ k       MOV　ACC，WORD1
, O2 ^* Q. z: X( }" b6 o       RRC　A；移位Q7～Q0
4 K  N: D. h3 F       MOV　WORD1，A；移位后，保存到WORD1单元中
       MOV　ACC，WORD2
! e' W$ i# s% N* _       RRC　A；移位Q15～Q8
8 l2 ?4 g0 H3 G: _' e+ B" X       MOV　WORD2，A；移位后，保存到WORD2单元中
8 q- V* I# ]$ n# n8 M" O: D2 {* `       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
' l  z( e# C( b# u       MOV　Q15，C；将Q16的值赋到Q15
       MOV　ACC，WORD4
       RRC　A；移位Q31～Q24
. O+ @$ b8 ?3 d5 G/ i9 Y* \5 I       MOV　WORD4，A；移位后，保存到WORD4单元中
       MOV　Q23，C；将Q24的值赋到Q23
0 f4 w( v" f4 u7 S% w: G       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
4 B3 m. F9 p/ T( u8 u
       馈计算的值赋给Q39
       MOV　Q39，C
0 T7 f, C. E& A. B9 S: c       LJMP　XMALOOP　；继续产生下一代PN码元
7 e1 h+ e0 m/ T/ a* s) y( W! D

6　其它加密方法介绍及比较

$ n6 S/ T- c7 ~) ^　　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。

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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。