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用單片機實現SRAM工藝FPGA的加密應用
摘要：首先對采用SRAM工藝的FPGA的保密性和加密方法進行原理分析，然后提出一種實用的采用單片機產生長偽隨機碼實現加密的方法，并詳細介紹具體的電路和程序。關鍵詞：靜態隨機存儲器（SRAM） 現場可編程門陣列（FPGA） 加密
在現代電子系統設計中，由于可編程邏輯器件的卓越性能、靈活方便的可升級特性，而得到了廣泛的應用。由于大規模高密度可編程邏輯器件多采用SRAM工藝，要求每次上電，對FPGA器件進行重配置，這就使得可以通過監視配置的位數據流，進行克隆設計。因此，在關鍵、核心設備中，必須采用加密技術保護設計者的知識產權。
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1 基于SRAM工藝FPGA的保密性問題
通常，采用SRAM工藝的FPGA芯片的的配置方法主要有三種：由計算機通過下載電纜配置、用專用配置芯片（如Altera公司的EPCX系列芯片）配置、采用存儲器加微控制器的方法配置。第一種方法適合調試設計時要用，第二種和第三種在實際產品中使用較多。第二種方法的優點在于外圍電路非常簡單，體積較小，適用于不需要頻繁升級的產品；第三種方法的優點在于成本較低，升級性能好。
以上幾種方法在系統加電時，都需要將配置的比特流數據按照確定的時序寫入SRAM工藝的FPGA。因此，采用一定的電路對配置FPGA的數據引腳進行采樣，即可得到配置數據流信息。利用記錄下來的配置數據可對另一塊FPGA芯片進行配置，就實現了對FPGA內部設計電路的克隆。典型的克隆方法見圖1。
2 對SRAM工藝FPGA進行有效加密的方法
由于SRAM工藝的FPGA上電時的配置數據是可以被復制的，因此單獨的一塊FPGA芯片是無法實現有效加密的。FPGA芯片供應商對位數據流的定義是不公開的，因此無法通過外部的配置數據流信息推測內部電路。也就是說，通過對FPGA配置引腳的數據進行采樣可得到配置信息。但也不能知道內部電路結構。如果在配置完成后使FPGA處于非工作狀態，利用另外一塊保密性較強的CPU產生密碼驗證信息與FPGA進行通信，僅在驗證成功的情況下使能FPGA正常工作，則能有效地對設計進行加密。具體電路結構見圖2。
系統加電時，由單片機對SRAM工藝的FPGA進行配置。配置完成時，FPGA內部功能塊的使能端為低，不能正常工作。此時，單片機判斷到配置完成后，將ASET信號置為高電平，使能FPGA內的偽碼發生電路工作；同時，單片機產生一個偽碼驗證信息，在FPGA中將兩路偽碼進行比較，兩者完全匹配時，FPGA內部電路正常工作，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的單片機和FPGA內部分邏輯單元，沒有增加硬件成本。
由上述討論可知，系統的加密能力主要由CPU的加密能力決定。這就要求CPU的加密算法要足夠復雜，使得對驗證信息的捕獲與識別足夠困難。最常見的加密算法就是產生兩個偽隨機序列發生器：一個位于SRAM工藝的FPGA內；另一個位于CPU內。當兩者匹配時，通過驗斑點。對PN碼有兩點要求：一方面，要求偽隨機序列的長度足夠長，使得要捕獲整個序列不太可能；另一方面，偽隨機序列的線性復雜度要足夠高，使推測偽隨機序列的結構不易實現。
通常采用的偽隨機碼發生器的反饋電路如圖3所示。實際中，可采用級數較高的線性反饋移位寄存器來產生偽隨機碼。如采用40級線性移位寄存器產生的最大序列的周期為2 40=10 12。若將所有偽隨機碼截獲并存儲，就需要1000Gb的存儲空間；若碼速率為50Kbps，捕獲時間將長達5555小時；當增加移位寄存器的級數時，所需的存儲空間和捕獲時間都會呈指數增長，以至于難以實現。采用較為簡單的線性反饋電路被推測出反饋結構的可能性較大，因此實際的系統中，除了級數要較多之外，往往通過對多個線性移位寄存器產生的偽碼進行特定運算產生長碼，以增加所產生偽碼的線性復雜度。
3 FPGA內的校驗工作電路
在此采用40級線性反饋移位寄存器來產生偽隨機碼，特征多項式為20000012000005（八進制表示）。其移位寄存器表示形式為：Bin=B23 XOR B21XORB2XORB0
FPGA內工作電路見圖4。
在上電之后，單片機將圖4中的電路配置在FPGA中。配置完成后，單片機發送的ASET信號由低電平跳變為高電平，使得FPGA內的PN碼產生電路開始工作，并于CPU發送過來的PN碼進行比較。比較結果一致就使能USER_DESIGN模塊正常工作。其中PLL_BITSYS模塊用來發生VERIFY_PN的位同步時鐘，采用微
分鎖相原理實現。各種參考資料都有較多介紹，在此不再詳述。
COMPARE_PN模塊完成對單片機發送的偽隨機碼和PNMA_PRODUCER模塊產生的偽隨機碼的比較：當兩路相同，輸出1，不同時輸出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，使USER_DESIGN電路不能正常工作。
4 FPGA內的偽隨機碼產生電路
PNMA_PRODUCER模塊和來產生偽隨機碼，采用移位寄存器實現，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，將初值85置入移位寄存器內，LPMSHIFTREG模塊的“DIRECTION”設置為“RIGHT”即移位方向為右移。Q[39..0]表示40位移位寄存器的各個狀態，SHIFTIN為串行輸入，SHIFTIN為Q0、Q2、Q21、Q23四個狀態異或運算的結果。
圖4
系統加電時，單片機將ASET置為低電平，經過一個非門，變成高電平使移位寄存器處于置位狀態。在配置完成后，單片機將ASET信號置為高電平，經非門使移位寄存器正常工作。
利用移位寄存器電路產生偽隨機碼的電路非常簡單，反饋邏輯也便于修改。
5 單片機驗證偽碼的程序
在位尋址區（20H～2FH）定義了字節變量WORD1、WORD2、WORD3、WORD4、WORD5，用來存儲移位寄存器的40個狀態。其中Q0對應WORD1.0，Q1對應WORD1.1……Q39對應WORD5.7。同時，在位尋址區定義了WORD6、WORD7、WORD8、WORD9，用來進行后面的反饋邏輯計算。
單片機一上電，首先將ASET腳清零，同時，也將PNMA腳清零，將初值55H作為移位寄存器的初始狀態，接著完成FPGA的上電配置工作。配置完成后，單片機檢測來自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，單片機將ASET腳置為1，使能FPGA內的偽碼發生電路工作，單片機產生偽隨機碼的流程。配置完成后，首先將Q0輸出到PNMA引腳，接著計算反饋邏輯輸入，將參與反饋運算的幾個狀態運算結果存在中間變量MID_VARY中。然后，對各個狀態進行右移，為了提高運算效率，使用了帶進位C的字節循環右移指令。移位完成后，將MID_VARY存入Q39，再將新的Q0輸出到PNMA引腳，程序循環執行產生偽隨機碼。
單片機核心源程序如下：
CLR ASET ；單片機上電后將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：
…… ；進行FPGA的配置工作
JB CONFDONE，PNPRODUCE；根據CONFDONE判斷配置是否完成
LJMP PEIZHI ；否則繼續配置
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
MOV C，Q2
MOV WORD7.0，C ；用WORD7單元的0位來存Q2的狀態
MOV C，Q21
MOV WORD8.0，C ；用WORD8單元的0位來存Q21的狀態
MOV C，Q23
MOV WORD9.0，C ；用WORD9單元的0位來存Q23的狀態
MOV ACC，WORD6
XRL A，WORD7
XRL A，WORD8
XRL A，WORD9 ；通過異或指令，計算反饋邏輯
MOV C，ACC.0 ；反饋邏輯為Qin=Q0
；XOR Q2 XOR Q21 XOR Q23
MOV MID_VARY，C ；將運算后的狀態存到MID_VARY中右移運算
MOV ACC，WORD1
RRC A ；移位Q7～Q0
MOV WORD1，A ；移位后，保存到WORD1單元中
MOV ACC，WORD2
RRC A ；移位Q15～Q8
MOV WORD2，A ；移位后，保存到WORD2單元中
MOV Q7，C ；將Q8的值賦到Q7
MOV ACC，WORD3
RRC A ；移位Q23～Q16
MOV WORD3，A ；移位后，保存到WORD3單元中
MOV Q15，C ；將Q16的值賦到Q15
MOV ACC，WORD4
RRC A ；移位Q31～Q24
MOV WORD4，A ；移位后，保存到WORD4單元中
MOV Q23，C ；將Q24的值賦到Q23
MOV ACC，WORD5
RRC A ；移位Q39～Q32
MOV WORD5，A ；移位后，保存到WORD5單元中
MOV Q31，C ；將Q32的值賦到Q31
MOV C，MID_VARY ；將前面反饋計算的值賦給Q39
MOV Q39，C
LJMP XMALOOP ；繼續產生下一代PN碼元
6 其它加密方法介紹及比較
對SRAM工藝的FPGA進行加密，除了可以利用單片機實現外，還可以用E2PROM工藝的CPLD實現。與用單片機實現相比，利用CPLD的優點在于可實現高速偽碼，但要在硬件電路中增加一塊CPLD芯片，使整個硬件電路復雜化，增加了成本。本文提供的加密方法考慮到配置完成后單片機處于空閑狀態，此時利用單片機進行加密，不需要增加任何電路成本，使得整個系統硬件結構十分簡潔。本文提出采用長偽隨機碼來實現加密。如果采用其它的算法產生驗證信息，并增加單片機與FPGA工作時信息實時交互，使得獲取驗證信息的難度足夠大，也可以達到類似的加密效果。
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