當(dāng)前，信息安全防護(hù)已經(jīng)從傳統(tǒng)的單點(diǎn)信息加密發(fā)展到了以芯片級(jí)硬件防護(hù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建覆蓋全網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的信息保障體系�；谛酒�(jí)的硬件解決方案已經(jīng)成為保證信息安全的最可靠的途徑�？芍貥�(gòu)信息安全SoC芯片是基于信息安全服務(wù)、面向安全應(yīng)用、向微型信息安全設(shè)備提供密碼服務(wù)的基礎(chǔ)部件，可廣泛應(yīng)用在安全電子支付、身份識(shí)別、社會(huì)保障、安全電子載體高性能加解密、生物特征識(shí)別、金融智能卡、面向城市基礎(chǔ)設(shè)施的智能IC卡、電子護(hù)照和可信計(jì)算等安全領(lǐng)域。由于信息安全SoC芯片有著如此眾多的應(yīng)用，因此其開發(fā)必須很好地解決應(yīng)用多樣性和開發(fā)通用性的問題，使所開發(fā)的產(chǎn)品具有智能化、模塊化、可裁減、可重構(gòu)等特征。正因?yàn)樾畔踩玈oC芯片所處理的大都是敏感信息和秘密信息，所以在芯片開發(fā)時(shí)必須著重考慮系統(tǒng)的安全性。基于上述因素，在系統(tǒng)整體功能不變的前提下，筆者利用可重構(gòu)的思想、相關(guān)優(yōu)化技術(shù)、安全防護(hù)技術(shù)，有效地整合系統(tǒng)中的有限資源，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款可重構(gòu)信息安全SoC芯片。所制定的通用靈活的IP核接口，引入了較為完備的安全機(jī)制，使之具有快速的數(shù)據(jù)加密與解密、數(shù)字簽名與身份認(rèn)證等功能；所采用的優(yōu)化技術(shù)提高了系統(tǒng)性能，降低了系統(tǒng)規(guī)模和功耗，能更好地滿足智能IC卡及安全電子載體USB key等相關(guān)安全設(shè)備的安全需求、規(guī)模限制和功耗要求。
1 SoC芯片的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
基于密碼應(yīng)用的信息安全SoC芯片系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由系統(tǒng)控制模塊、密碼服務(wù)模塊、存儲(chǔ)器控制模塊、功能輔助模塊、通信模塊及系統(tǒng)總線模塊組成，如圖1所示。
(1)系統(tǒng)控制模塊。該模塊是整個(gè)安全SoC芯片的系統(tǒng)核心，在系統(tǒng)軟件的控制下，用于協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各個(gè)模塊的運(yùn)行。該模塊采用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的微控制器(MCU)，完全兼容8052指令集，并針對(duì)密碼應(yīng)用和密碼服務(wù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出了專用的密碼服務(wù)指令，從而大幅度提升了密碼服務(wù)時(shí)數(shù)據(jù)處理的效率。
(2)密碼服務(wù)模塊。該模塊用于向系統(tǒng)提供密碼服務(wù)，由DES/TDES和RSA兩個(gè)密碼子模塊構(gòu)成。DES/TDES分組密碼模塊，提供分組密碼算法服務(wù)，可用于高速數(shù)據(jù)處理；RSA公鑰密碼模塊，提供公鑰密碼算法服務(wù)，可用于低速數(shù)據(jù)處理、數(shù)字簽名及身份認(rèn)證等服務(wù)�！ �
(3)功能輔助模塊。該模塊向系統(tǒng)提供密碼輔助功能，由真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器和16/8除法器兩部分組成。真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器向系統(tǒng)提供真隨機(jī)數(shù)服務(wù)；16/8除法器用于在進(jìn)行隨機(jī)數(shù)素性判定時(shí)實(shí)現(xiàn)快速的16位/8位除法。
(4)存儲(chǔ)器控制模塊。該模塊用于控制各存儲(chǔ)器地址分配、數(shù)據(jù)選擇，由存儲(chǔ)器切換模塊和存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)配置模塊兩部分構(gòu)成。利用存儲(chǔ)器切換模塊，通過裝載工具配置相應(yīng)的寄存器，對(duì)SoC芯片進(jìn)行操作系統(tǒng)升級(jí)更新；存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)配置模塊，對(duì)系統(tǒng)中各存儲(chǔ)器進(jìn)行整合，通過配置相應(yīng)的控制寄存器，對(duì)指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的容量進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置。
(5)通信模塊。該模塊用于和外部進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。本設(shè)計(jì)中的外圍接口采用智能卡通用接口，接口模塊包括USB接口模塊和串行接口模塊。USB接口模塊支持USB1.1標(biāo)準(zhǔn)，通信速率為1.5Mbps，支持HID類規(guī)范，支持控制傳輸和中斷傳輸；串行接口模塊采用異步半雙工模式，符合ISO/7816-3智能卡接口標(biāo)準(zhǔn)。
(6)系統(tǒng)總線。系統(tǒng)總線包括控制總線、地址總線及數(shù)據(jù)總線。為了防止芯片被破解或芯片內(nèi)的關(guān)鍵信息被竊密，系統(tǒng)總線模塊中引入了總線加密機(jī)制，即在存儲(chǔ)器與各系統(tǒng)模塊之間添加總線安全模塊，用于進(jìn)行總線數(shù)據(jù)的安全傳輸。
2 密碼服務(wù)模塊的設(shè)計(jì)
密碼服務(wù)模塊的設(shè)計(jì)，特別是密碼服務(wù)模塊中各子模塊的接口設(shè)計(jì)一直是信息安全SoC芯片系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接關(guān)系到信息安全SoC芯片的整體性能，因此本文對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)描述。
2.1 密碼服務(wù)模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
在信息安全SoC芯片系統(tǒng)中，為了滿足不同的密碼需求，會(huì)有多個(gè)密碼服務(wù)子模塊。但在實(shí)際應(yīng)用中，一般不會(huì)在同一時(shí)刻用到全部的密碼服務(wù)子模塊。在大多數(shù)的信息安全SoC芯片設(shè)計(jì)中，都會(huì)為每個(gè)模塊單獨(dú)配置控制寄存器和雙端口存儲(chǔ)器。這種方法雖然設(shè)計(jì)容易，實(shí)現(xiàn)方便，但會(huì)使所設(shè)計(jì)的SoC芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各模塊間的連線繁多。這無疑增加了后端布局布線難度，降低了系統(tǒng)的整體性能，而且由于控制寄存器和存儲(chǔ)器資源有限，一旦芯片系統(tǒng)中所采用的密碼功能模塊較多，就會(huì)對(duì)系統(tǒng)中有限的資源造成較大的浪費(fèi)。
為了降低后端布局布線難度，提高系統(tǒng)性能，有效利用系統(tǒng)中的有限資源，在密碼服務(wù)模塊中加入IP橋模塊來解決以上問題。密碼服務(wù)模塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示。
根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要，IP橋通過配置IP控制寄存器(IPC)選用所需的密碼服務(wù)子模塊，使之與系統(tǒng)掛接，達(dá)到有效整合系統(tǒng)中有限資源的目的。各密碼服務(wù)子模塊通過IP橋與控制模塊及存儲(chǔ)器連接；IP橋根據(jù)IPC狀態(tài)進(jìn)行配置，選擇所需的密碼子模塊，并將其與控制模塊及存儲(chǔ)器進(jìn)行整合；子模塊與控制模塊及存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)交互通過IP橋進(jìn)行調(diào)配；最后通過控制模塊啟動(dòng)密碼服務(wù)子模塊，進(jìn)行相應(yīng)的密碼操作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需的密碼服務(wù)功能。
2.2 IP橋設(shè)計(jì)
IP橋主要功能是根據(jù)IPC寄存器狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)配置，由控制組合邏輯模塊和數(shù)據(jù)配置邏輯模塊構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示�？刂平M合邏輯模塊根據(jù)IPC狀態(tài)輸出控制信號(hào)，控制數(shù)據(jù)配置邏輯模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)配置。數(shù)據(jù)配置可分為兩類，即對(duì)密碼服務(wù)子模塊的通路配置和對(duì)雙端口存儲(chǔ)器(Dual RAM)的通路配置。
(1)密碼服務(wù)子模塊通路配置是指IP橋?qū)CU與所選用的子模塊進(jìn)行整合，包括對(duì)其控制信號(hào)的配置和時(shí)鐘信號(hào)的分配�？刂菩盘�(hào)配置是指根據(jù)IPC狀態(tài)將MCU中用于控制密碼模塊的控制寄存器與相應(yīng)的子模塊控制單元進(jìn)行整合，以便MCU對(duì)子模塊操作進(jìn)行控制。密碼服務(wù)子模塊的時(shí)鐘信號(hào)分配是指只有當(dāng)所需的子模塊被IP橋選用時(shí)，才會(huì)分配時(shí)鐘信號(hào)，否則時(shí)鐘信號(hào)被屏蔽，處于休眠狀態(tài)。
(2)雙端口存儲(chǔ)器通路配置是指將所選用的密碼子模塊與雙端口存儲(chǔ)器進(jìn)行時(shí)鐘匹配，并進(jìn)行控制總線、地址總線、數(shù)據(jù)總線的動(dòng)態(tài)配置。當(dāng)整個(gè)密碼服務(wù)模塊未運(yùn)行時(shí)，用于存儲(chǔ)器與密碼服務(wù)模塊匹配的時(shí)鐘信號(hào)被屏蔽。
2.3 密碼服務(wù)子模塊接口設(shè)計(jì)
在本設(shè)計(jì)中共有兩個(gè)子模塊：RSA公鑰密碼子模塊和DES/TDES分組密碼子模塊。這兩個(gè)子模塊都采用同樣的接口設(shè)計(jì)，具體的接口設(shè)計(jì)圖如圖4所示。
圖中實(shí)線信號(hào)為直連信號(hào)，虛線信號(hào)為通過IP橋配置的連通信號(hào)，密碼服務(wù)子模塊的各控制信號(hào)均由MCU通過IP橋控制產(chǎn)生，MCU可通過密碼指令控制子模塊。在子模塊完成運(yùn)算并將數(shù)據(jù)寫入Dual RAM后，就輸出完成信號(hào)，將狀態(tài)寄存器中相應(yīng)位置位，MCU通過查詢此狀態(tài)位就能判斷模塊是否完成運(yùn)算。與密碼服務(wù)子模塊相關(guān)的Dual RAM可在兩個(gè)不同時(shí)鐘下，根據(jù)兩條地址線分別對(duì)存儲(chǔ)器單元進(jìn)行讀寫操作。在本設(shè)計(jì)中分別由密碼服務(wù)子模塊和MCU對(duì)雙端口存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫操作。密碼服務(wù)子模塊在初始運(yùn)行階段，從雙端口存儲(chǔ)器中讀取需運(yùn)算的數(shù)據(jù)，完成運(yùn)算后再將數(shù)據(jù)寫入雙端口存儲(chǔ)器中，供MCU使用操作。
密碼服務(wù)子模塊采用此種接口設(shè)計(jì)，可有效解決密碼IP核與系統(tǒng)間的速度差異問題。IP核可在高速時(shí)鐘下運(yùn)行，系統(tǒng)可在低速時(shí)鐘下運(yùn)行，而且由于雙端口存儲(chǔ)器的兩個(gè)數(shù)據(jù)端口可采用不同的數(shù)據(jù)位寬，也就解決了密碼服務(wù)子模塊與控制模塊之間的數(shù)據(jù)總線寬度不同的問題。兩個(gè)密碼服務(wù)子模塊都采用同樣的接口設(shè)計(jì)，使得所設(shè)計(jì)的IP核具有很強(qiáng)的通用性，在無需修改接口設(shè)計(jì)情況下，就可應(yīng)用于其他的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。子模塊的后期測(cè)試也可采用同樣的測(cè)試平臺(tái)，使得測(cè)試簡(jiǎn)單易行。
2.4 密碼服務(wù)模塊運(yùn)行流程
加入IP橋設(shè)計(jì)后，在調(diào)用密碼服務(wù)模塊之前需要對(duì)IPC進(jìn)行配置，將密碼子模塊通過IP橋與系統(tǒng)模塊連接。密碼服務(wù)模塊運(yùn)行流程如圖5所示。
密碼服務(wù)模塊運(yùn)行流程實(shí)際上僅多了一個(gè)配置IPC的過程。對(duì)IPC的配置可通過對(duì)SFR的寫操作完成，此操作僅耗費(fèi)二個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘，而且是在初始模塊運(yùn)行時(shí)進(jìn)行靜態(tài)配置，故對(duì)密碼服務(wù)模塊運(yùn)行速率的影響幾乎可忽略不計(jì)。雖然MCU發(fā)出控制信號(hào)、子模塊的輸入輸出數(shù)據(jù)及完成信號(hào)，但這些密碼模塊和系統(tǒng)模塊之間的通信都通過IP橋來完成，并由IP橋整合調(diào)配，由于IP橋的配置是靜態(tài)配置，所以在密碼子模塊運(yùn)行時(shí)，數(shù)據(jù)通信實(shí)際上幾乎不存在延遲。
IP橋的引入，使芯片系統(tǒng)的可重構(gòu)特性大大加強(qiáng)，可以有效整合SoC芯片內(nèi)部的資源，充分利用系統(tǒng)中的有限資源，從而降低了系統(tǒng)規(guī)模。在IP橋的控制下，對(duì)未調(diào)用的模塊所采用的時(shí)鐘屏蔽措施，使其處于休眠狀態(tài)，有效地降低了系統(tǒng)功耗。由于各子模塊在IP橋控制下共用存儲(chǔ)器，因此在進(jìn)行多密碼服務(wù)子模塊協(xié)同工作時(shí)就無需進(jìn)行大規(guī)模的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移，從而可節(jié)省大量用于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移的時(shí)間，提高系統(tǒng)運(yùn)行的效率。
3 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)及驗(yàn)證
利用硬件語言VHDL對(duì)該款安全SoC芯片進(jìn)行具體實(shí)現(xiàn)，所設(shè)計(jì)的安全SoC芯片可在33MHz時(shí)鐘下正常運(yùn)行，RSA密碼IP核可在50MHz時(shí)鐘下正常運(yùn)行，對(duì)于小規(guī)模數(shù)據(jù)的低速通信可提供非對(duì)稱算法512/1024bit RSA簽名/加解密服務(wù)，進(jìn)行43次/秒的1024bit模冪運(yùn)算，規(guī)模僅40萬門。DES/TDES密碼IP核可在50MHz時(shí)鐘下正常運(yùn)行，對(duì)于大規(guī)模數(shù)據(jù)的高速通信可提供對(duì)稱算法DES/TDES加解密服務(wù)，可進(jìn)行100次/秒的DES加解密運(yùn)算和60次/秒的TDES加解密運(yùn)算。由于IP橋依據(jù)IPC的狀態(tài)對(duì)各模塊的控制總線、地址總線、數(shù)據(jù)總線進(jìn)行通路配置，并不進(jìn)行數(shù)據(jù)寄存，因此實(shí)現(xiàn)了IP橋所耗費(fèi)的資源相當(dāng)少，僅需200門左右。
系統(tǒng)測(cè)試一直都是SoC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，針對(duì)每個(gè)模塊，都進(jìn)行了詳細(xì)的仿真測(cè)試，特別是針對(duì)存儲(chǔ)器轉(zhuǎn)換功能和存儲(chǔ)器配置的實(shí)現(xiàn)。為了能詳細(xì)仿真操作系統(tǒng)下載配置過程，設(shè)計(jì)了合理的仿真測(cè)試方法。針對(duì)IP橋配置也進(jìn)行了詳細(xì)的仿真測(cè)試。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)完成后，在FPGA開發(fā)板上進(jìn)行了具體的測(cè)試，采用的是ALTERA公司的EP2C35芯片，并利用中國人民銀行金融認(rèn)證(CFCA認(rèn)證)通過的COS(片上操作系統(tǒng))對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)而全面的應(yīng)用測(cè)試，測(cè)試結(jié)果證明系統(tǒng)完全滿足COS系統(tǒng)中的各種密碼操作。
本文介紹了一款基于密碼服務(wù)、面向密碼應(yīng)用的可重構(gòu)信息安全SoC芯片的設(shè)計(jì)。為使所設(shè)計(jì)的信息安全SoC芯片更具技術(shù)特色和應(yīng)用前景，運(yùn)用可重構(gòu)的思想，在密碼服務(wù)模塊和存儲(chǔ)器控制模塊中采用了IP橋技術(shù)、存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)配置技術(shù)和存儲(chǔ)器切換技術(shù)。這些優(yōu)化技術(shù)的采用有效地利用了芯片系統(tǒng)中的有限資源，使得所設(shè)計(jì)的信息安全SoC芯片在微型系統(tǒng)的密碼應(yīng)用中配置更為靈活、運(yùn)行效率更高、資源耗費(fèi)更少、功耗更低。這些特性對(duì)信息安全設(shè)備，特別是對(duì)微型或手持設(shè)備來說意義重大。
