基于SRAM工藝FPGA的加密方法介紹

在現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由于可編程邏輯器件的卓越性能、靈活方便的可升級(jí)特性，而得到了廣泛的應(yīng)用。由于大規(guī)模高密度可編程邏輯器件多采用SRAM工藝，要求每次上電，對(duì)FPGA器件進(jìn)行重配置，這就使得可以通過(guò)監(jiān)視配置的位數(shù)據(jù)流，進(jìn)行克隆設(shè)計(jì)。因此，在關(guān)鍵、核心設(shè)備中，必須采用加密技術(shù)保護(hù)設(shè)計(jì)者的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

1　基于SRAM工藝FPGA的保密性問(wèn)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(jì)算機(jī)通過(guò)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(chǔ)器加微控制器的方法配置。第一種方法適合調(diào)試設(shè)計(jì)時(shí)要用，第二種和第三種在實(shí)際產(chǎn)品中使用較多。第二種方法的優(yōu)點(diǎn)在于外圍電路非常簡(jiǎn)單，體積較小，適用于不需要頻繁升級(jí)的產(chǎn)品；第三種方法的優(yōu)點(diǎn)在于成本較低，升級(jí)性能好。

以上幾種方法在系統(tǒng)加電時(shí)，都需要將配置的比特流數(shù)據(jù)按照確定的時(shí)序?qū)懭隨RAM工藝的FPGA。因此，采用一定的電路對(duì)配置FPGA的數(shù)據(jù)引腳進(jìn)行采樣，即可得到配置數(shù)據(jù)流信息。利用記錄下來(lái)的配置數(shù)據(jù)可對(duì)另一塊FPGA芯片進(jìn)行配置，就實(shí)現(xiàn)了對(duì)FPGA內(nèi)部設(shè)計(jì)電路的克隆。典型的克隆方法見(jiàn)圖1。

2 對(duì)SRAM工藝FPGA進(jìn)行有效加密的方法

由于SRAM工藝的FPGA上電時(shí)的配置數(shù)據(jù)是可以被復(fù)制的，因此單獨(dú)的一塊FPGA芯片是無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效加密的。FPGA芯片供應(yīng)商對(duì)位數(shù)據(jù)流的定義是不公開(kāi)的，因此無(wú)法通過(guò)外部的配置數(shù)據(jù)流信息推測(cè)內(nèi)部電路。也就是說(shuō)，通過(guò)對(duì)FPGA配置引腳的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣可得到配置信息。但也不能知道內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)。如果在配置完成后使FPGA處于非工作狀態(tài)，利用另外一塊保密性較強(qiáng)的CPU產(chǎn)生密碼驗(yàn)證信息與FPGA進(jìn)行通信，僅在驗(yàn)證成功的情況下使能FPGA正常工作，則能有效地對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行加密。具體電路結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

系統(tǒng)加電時(shí)，由單片機(jī)對(duì)SRAM工藝的FPGA進(jìn)行配置。配置完成時(shí)，F(xiàn)PGA內(nèi)部功能塊的使能端為低，不能正常工作。此時(shí)，單片機(jī)判斷到配置完成后，將ASET信號(hào)置為高電平，使能FPGA內(nèi)的偽碼發(fā)生電路工作；同時(shí)，單片機(jī)產(chǎn)生一個(gè)偽碼驗(yàn)證信息，在FPGA中將兩路偽碼進(jìn)行比較，兩者完全匹配時(shí)，F(xiàn)PGA內(nèi)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(tài)的單片機(jī)和FPGA內(nèi)部分邏輯單元，沒(méi)有增加硬件成本。

由上述討論可知，系統(tǒng)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(fù)雜，使得對(duì)驗(yàn)證信息的捕獲與識(shí)別足夠困難。最常見(jiàn)的加密算法就是產(chǎn)生兩個(gè)偽隨機(jī)序列發(fā)生器：一個(gè)位于SRAM工藝的FPGA內(nèi)；另一個(gè)位于CPU內(nèi)。當(dāng)兩者匹配時(shí)，通過(guò)驗(yàn)斑點(diǎn)。對(duì)PN碼有兩點(diǎn)要求：一方面，要求偽隨機(jī)序列的長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)，使得要捕獲整個(gè)序列不太可能；另一方面，偽隨機(jī)序列的線性復(fù)雜度要足夠高，使推測(cè)偽隨機(jī)序列的結(jié)構(gòu)不易實(shí)現(xiàn)。

通常采用的偽隨機(jī)碼發(fā)生器的反饋電路如圖3所示。實(shí)際中，可采用級(jí)數(shù)較高的線性反饋移位寄存器來(lái)產(chǎn)生偽隨機(jī)碼。如采用40級(jí)線性移位寄存器產(chǎn)生的最大序列的周期為2?40=10?12。若將所有偽隨機(jī)碼截獲并存儲(chǔ)，就需要1000Gb的存儲(chǔ)空間；若碼速率為50Kbps，捕獲時(shí)間將長(zhǎng)達(dá)5555小時(shí)；當(dāng)增加移位寄存器的級(jí)數(shù)時(shí)，所需的存儲(chǔ)空間和捕獲時(shí)間都會(huì)呈指數(shù)增長(zhǎng)，以至于難以實(shí)現(xiàn)。采用較為簡(jiǎn)單的線性反饋電路被推測(cè)出反饋結(jié)構(gòu)的可能性較大，因此實(shí)際的系統(tǒng)中，除了級(jí)數(shù)要較多之外，往往通過(guò)對(duì)多個(gè)線性移位寄存器產(chǎn)生的偽碼進(jìn)行特定運(yùn)算產(chǎn)生長(zhǎng)碼，以增加所產(chǎn)生偽碼的線性復(fù)雜度。

3　FPGA內(nèi)的校驗(yàn)工作電路

在此采用40級(jí)線性反饋移位寄存器來(lái)產(chǎn)生偽隨機(jī)碼，特征多項(xiàng)式為20000012000005（八進(jìn)制表示）。其移位寄存器表示形式為：Bin=B23?XOR?B21XORB2XORB0，F(xiàn)PGA內(nèi)工作電路見(jiàn)圖4。

在上電之后，單片機(jī)將圖4中的電路配置在FPGA中。配置完成后，單片機(jī)發(fā)送的ASET信號(hào)由低電平跳變?yōu)楦唠娖剑沟肍PGA內(nèi)的PN碼產(chǎn)生電路開(kāi)始工作，并于CPU發(fā)送過(guò)來(lái)的PN碼進(jìn)行比較。比較結(jié)果一致就使能USER_DESIGN模塊正常工作。其中PLL_BITSYS模塊用來(lái)發(fā)生VERIFY_PN的位同步時(shí)鐘，采用微分鎖相原理實(shí)現(xiàn)。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(duì)單片機(jī)發(fā)送的偽隨機(jī)碼和PNMA_PRODUCER模塊產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼的比較：當(dāng)兩路相同，輸出1，不同時(shí)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(hào)，使USER_DESIGN電路不能正常工作。

4　FPGA內(nèi)的偽隨機(jī)碼產(chǎn)生電路

PNMA_PRODUCER模塊和來(lái)產(chǎn)生偽隨機(jī)碼 ，采用移位寄存器實(shí)現(xiàn)，具體電路見(jiàn)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(shí)，將初值85置入移位寄存器內(nèi)，LPMSHIFTREG模塊的“DIRECTION”設(shè)置為“RIGHT”即移位方向?yàn)橛乙啤[39..0]表示40位移位寄存器的各個(gè)狀態(tài)，SHIFTIN為串行輸入，SHIFTIN為Q0、Q2、Q21、Q23四個(gè)狀態(tài)異或運(yùn)算的結(jié)果。

系統(tǒng)加電時(shí)，單片機(jī)將ASET置為低電平，經(jīng)過(guò)一個(gè)非門，變成高電平使移位寄存器處于置位狀態(tài)。在配置完成后，單片機(jī)將ASET信號(hào)置為高電平，經(jīng)非門使移位寄存器正常工作。利用移位寄存器電路產(chǎn)生偽隨機(jī)碼的電路非常簡(jiǎn)單，反饋邏輯也便于修改。

5　單片機(jī)驗(yàn)證偽碼的程序

在位尋址區(qū)（20H～2FH）定義了字節(jié)變量WORD1、WORD2、WORD3、WORD4、WORD5，用來(lái)存儲(chǔ)移位寄存器的40個(gè)狀態(tài)。其中Q0對(duì)應(yīng)WORD1.0，Q1對(duì)應(yīng)WORD1.1……Q39對(duì)應(yīng)WORD5.7。同時(shí)，在位尋址區(qū)定義了WORD6、WORD7、WORD8、WORD9，用來(lái)進(jìn)行后面的反饋邏輯計(jì)算。單片機(jī)一上電，首先將ASET腳清零，同時(shí)，也將PNMA腳清零，將初值55H作為移位寄存器的初始狀態(tài)，接著完成FPGA的上電配置工作。配置完成后，單片機(jī)檢測(cè)來(lái)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(cè)到CONFDONE為高電平，即配置完成后，單片機(jī)將ASET腳置為1，使能FPGA內(nèi)的偽碼發(fā)生電路工作，單片機(jī)產(chǎn)生偽隨機(jī)碼的流程。配置完成后，首先將Q0輸出到PNMA引腳，接著計(jì)算反饋邏輯輸入，將參與反饋運(yùn)算的幾個(gè)狀態(tài)運(yùn)算結(jié)果存在中間變量MID_VARY中。然后，對(duì)各個(gè)狀態(tài)進(jìn)行右移，為了提高運(yùn)算效率，使用了帶進(jìn)位C的字節(jié)循環(huán)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(huán)執(zhí)行產(chǎn)生偽隨機(jī)碼。

單片機(jī)核心源程序如下：

CLR　ASET；單片機(jī)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(jìn)行FPGA的配置工作
JB　CONFDONE，PNPRODUCE；根據(jù)CONFDONE判斷配置是否完成
LJMP　PEIZHI；否則繼續(xù)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(lái)存Q0的狀態(tài)
MOV　C，Q2
MOV　WORD7.0，C；用WORD7單元的0位來(lái)存Q2的狀態(tài)

; MOV　C，Q21
MOV　WORD8.0，C；用WORD8單元的0位來(lái)存Q21的狀態(tài)
MOV　C，Q23
MOV　WORD9.0，C；用WORD9單元的0位來(lái)存Q23的狀態(tài)
MOV　ACC，WORD6
XRL　A，WORD7
XRL　A，WORD8
XRL　A，WORD9；通過(guò)異或指令，計(jì)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(yùn)算后的狀態(tài)存到MID_VARY中右移運(yùn)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(jì)算的值賦給Q39
MOV　Q39，C
LJMP　XMALOOP　；繼續(xù)產(chǎn)生下一代PN碼元

6　其它加密方法介紹及比較

對(duì)SRAM工藝的FPGA進(jìn)行加密，除了可以利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)外，還可以用E2PROM工藝的CPLD實(shí)現(xiàn)。與用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)相比，利用CPLD的優(yōu)點(diǎn)在于可實(shí)現(xiàn)高速偽碼，但要在硬件電路中增加一塊CPLD芯片，使整個(gè)硬件電路復(fù)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(jī)處于空閑狀態(tài)，此時(shí)利用單片機(jī)進(jìn)行加密，不需要增加任何電路成本，使得整個(gè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)潔。本文提出采用長(zhǎng)偽隨機(jī)碼來(lái)實(shí)現(xiàn)加密。如果采用其它的算法產(chǎn)生驗(yàn)證信息，并增加單片機(jī)與FPGA工作時(shí)信息實(shí)時(shí)交互，使得獲取驗(yàn)證信息的難度足夠大，也可以達(dá)到類似的加密效果。