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Flash芯片數據加密存儲技術開發

添加時間:2019/08/20 來源:暨南大學 作者:吳延軍
在本文中,完成了安全芯片整體功能的設計,制定了各個管腳信號的定義與功能說明,細化了安全芯片內部的功能模塊結構,將安全芯片內部設計劃分為五個功能性模塊:地址計數模塊、命令甄別模塊、密碼機模塊、加密解密模塊、地址置換模塊。
以下為本篇論文正文:

摘要

  目前,嵌入式計算機系統己經在人類生產活動各個領域發揮著越來越重要的作用,其應用功能的實現主要依靠固化在存儲器中程序代碼及其相關數據,而這些存儲代碼和相關運行數據存儲器主要是NOR型Flash存儲器。Flash存儲器有著功耗低!數據容量大!可整片擦除和分扇區擦除等優點,但其中所存儲程序代碼容易被讀取出來,非法拷貝仿制。

  作為人類商品社會中的一種特殊的產品,程序代碼生產難度大卻復制容易;生產成本高但復制費用低。由此造成世界范圍內這種非法復制現象泛濫,嚴重的侵犯了版權所有人的知識產權。防止這種知識偷竊現象的方法,除了法律手段以外,對程序代碼和運行數據進行加密處理是非常必要的。

  在本文提出了一種加密技術,可以有效的防范各種針對嵌入式計算機的軟件程序的惡意竊取。整個加密體系包括兩個部分,PC機上運行的預加密軟件和安全芯片,它們使用同樣的密鑰分別對該程序加密和解密。先將嵌入式計算機運行所需程序用加密軟件加密處理,再固化到Flash芯片上;嵌入式計算機讀取指令和數據時,由安全芯片實時解密,還原為正確的程序代碼,送給嵌入式系統的CPU執行;當嵌入式計算機需要向Flash存儲器寫入數據時,數據先送給安全芯片進行加密,然后再送給Flash存儲器。在Flash存儲器上存儲的是經加密處理過后的數據,包括加密軟件處理過的程序數據和經安全芯片加密后實時寫入的數據,如果沒有安全芯片以及與之配套的密鑰,即便Flash中的數據被非法讀取出來,也是沒有任何意義的混亂數據。

  安全芯片將Flash存儲器與嵌入式計算機其它部件隔離,如同加上一把牢靠的鎖,密鑰便是這把開鎖的鑰匙。如此設計一達到了加密技術與密鑰分離的目的,使同一種嵌入式計算機產品做到“一機一密”,開發廠商便可以將密鑰作為licence進行授權,頒發給合法用戶使用,為知識產權保護打下技術基礎。

  關鍵詞:Flash,嵌入式系統,,.謎0密碼機,RCS,RC6,DES,S盒子,VerilogHDL

ABSTRACT

  At present, the embedded computer system has been playing a more and more important role in every field of humankinds' production activities. The realization of its function largely depends on programme code solidified in memory and related data. As a special product of mankind commodity society, programme code is difficult-produced and easy-duplicated; high-cost in production and low expense in replication. As a result, it leads to illegal replication on a world scale, which seriously infringes on the intellectual property right of copyright owners. In addition to law means, to safeguard the intellectual stolen phenomena, it is quite necessary to carry out encrypting processes for the programme code and operating data. In this thesis, the author put forward an encryption technology, which can effectively prevent against various kinds of malicious steals towards the software of embedded computer. The encryption system consists of two parts: one is encryption software operating on PC; the other is encryption chip. Both of them can be encrypted and decrypted the programme by the similar cipher. Firstly, encrypt the programme of embedded computer with encryption software, and then solidify on Flash chip in operation. When embedded computer reads the command and data, which could be decrypted by encryption software to revivify the right programme code and resent to the CPU of embedded computer. When embedded computer needs to input data to Flash memory, the data could be encrypted by encryption chip and then resent to Flash memory. The goal of separating encryption technology from cipher could be reached by such design. Attaining "one cipher for one computer" when using the embedded computer, in this way, the developer could authorize the cipher a license and distribute it to the legal users, which would lay a good technological foundation for future Intellectual Property right.

  Key words:  Flash, Embedded system, ENIGMA RCS, RC6, DES,S-Box,Verilog HDL

  進入新的世紀,嵌入式微計算機-已經越來越多的應用到人們的生活當中,大到航天設備火星登陸車,小到日常生活里家電遙控器,處處都有嵌入式微型計算機的身影嵌入式微計算機作為一種功能專一的設備,以計算機硬件技術為基礎,應用功能性軟件程序,軟硬件相結合,智能化自動化,它具有功能專一性強、硬件成本低廉、體積小、結構簡單、功耗低等突出優點,己被廣泛應用于各個行業。

  隨著計算機硬件制造技術的發展,特別是芯片技術的不斷進步,嵌入式應用的硬件核心CPU的運算速度取得了飛速發展,功耗進一步降低以前需要功能強大的通用計算機才能完成的智能自動化工作,現在己經由嵌入式微計算機替代,但隨著功能需求的增加,軟件代碼量的劇增,對軟件程序的存儲也提出了更為苛刻的要求。

  嵌入式微計算機的存儲器主流芯片分為易失性存儲器和非易失性存儲器其中SRAM和DRAM屬于易失性存儲器,它的最大特點是可以隨即并行讀取寫入數據,但掉電后數據將丟失,在嵌入式微型計算機中,主要用于保存運行中的動態數據,在一些追求運行速度的嵌入式應用中,也保存當前運行中程序軟件,但其硬件實現代價昂貴,主要用于高端嵌入式微計算機產品。

  非易失性存儲器的在掉電以后仍然能保存其中的數據,不會因為斷電關機而丟失最早出現的是ROM只讀存儲器,用于保存運行程序,但由于其所存儲數據不可擦寫和修改,現在僅用于保存固化的無需修改的程序,比如大多數PC機的BIOS程序存儲器隨后又出現EPRoM紫外線可擦除存儲器和EZPRoM電可擦除存儲器,但都因為數據擦除方式苛刻而并非理想,使用不方便,不適合一些需要經常在線更新程序和運行數據的場合Rash存儲器作為近幾年出現的新型非易失性存儲器件,具有以往EPROM結構簡單、密度高和電可擦除等優點,實現了高密度、低成本和高可靠性美妙結合,解決了器件尺寸縮小和高集成度的問題,因而廣泛應用于嵌入式微計算機的軟件程序和數據的保存。

  Flash存儲器是一種基于浮柵技術的非易失半導體存儲器,根據擦寫操作和內部存儲陣列編排的不同,可以分為兩類:NAND型和NOR型NAND型Flash存儲器將多個存儲單元串連后接到源線和位線來減小單個單元占用的接觸孔和源線的面積,是集成密度最高的陣列結構,數據容量大,采用串行接口,僅可分區讀寫數據,主要用于數據存儲,存儲音樂、照片、影像等文件的Flash卡以及U盤等均使用NAND型Flash存儲器;而并行排列的NOR型Flash存儲器則具有更高的訪問速度,它采用8/16位的并行接口,可以隨機讀取數據,主要用做可執行程序的存儲媒質,各種嵌入式設備的軟件程序的存儲大多使用NOR型Flash存儲器。

  嵌入式系統中,Flash在用于保存軟件程序時,與傳統的ROM和EPROM相比,CPU可以控制它進行在線編程和擦除,這一優點使得Flash十分適合嵌入式微計算機的設計和開發它的另一個優點是系統升級方便,設備供應商甚至用戶自己都可以從網上下載最新版本的程序代碼并載入Flash存儲器中來實現系統升級此外,由于程序可以直接在Flash中運行,省去了引導加載步驟,因而減少了所需高成本RAM的容量,節省了存儲空間和功耗。

  隨著嵌入式微計算機的功能越來越復雜,嵌入式軟件程序作為這些功能實現的載體,程序代碼量隨之劇增,其設計困難也越來越大,設計者為此付出的時間和物質代價遠超過硬件部分,嵌入式軟件已經越來越成為嵌入式微計算機產品的價值所在嵌入式軟件程序凝聚著設計者的大量智慧與汗水,它作為人類商品社會中的一種特殊的產品,是一種知識產權形式,有著生產難度大卻容易復制的特點,生產成本高但復制費用極低而Flash存儲器作為當今嵌入式設備中的主流存儲器件,其致命的缺點在于數據可以被輕易讀取出來,很少有加密保護功能某些Flash產品提供唯一的產品識別號碼和一次寫入存儲單元OTP(one一time一Programmable),可供口令式被動加密,這類產品包括Inter公司的28F系列型號Flash產品,以及AMD公司最新推出的通信用加密Flash芯片Am29PDL64OG等,但也無法抵抗靜態反匯編的解密技術Flash這種“天生”的弱點經常被不法分子利用,使其成為產品被抄襲、功能被模仿的“重災區”。

  世界范圍內的非法復制現象泛濫,各個國家和地區的政府紛紛出臺了各種保護知識產權的法律法規,并且針對各種盜版仿制犯罪現象予以打擊,也取得如何防止自己的產品被仿制和盜版,知識產權保護已經成為一個重要的問題擺在了嵌入式微計算機設計者的桌面上。

  對嵌入式微計算機進行加密,提高Flash存儲器被破解的難度和技術門檻,不失為一種事前防范的好方法雖然這樣會降低嵌入式微計算機的運行性能,但隨著硬件技術和軟件設計技術的進步,少量降低性能相對于系統的安全與穩定來說是可以完全可以接受的硬件部分由于電路的直觀性,較容易被抄板仿制,很難做到保密,因此嵌入式微計算機的加密主要是針對嵌入式軟件。

Flash芯片數據加密存儲技術開發:

不同設計工具配合完成的集成電路設計流程
不同設計工具配合完成的集成電路設計流程

SOC形式的安全芯片IP模式
SOC形式的安全芯片IP模式

數據擦除狀態內部子狀態遷移圖
數據擦除狀態內部子狀態遷移圖

密碼機模塊內部結構
密碼機模塊內部結構

以偏移值函數f映射方式加密數據示意圖
以偏移值函數f映射方式加密數據示意圖

五循環數組映射示意圖
五循環數組映射示意圖

目錄

  緒論
  第一章 嵌入式微計算機的存儲系統簡介
    1.1 易失型存儲器與非易失型存儲器
    1.2 NOR型與NAND型Flash存儲器
    1.3 M29系列NOR型Flash存儲器介紹
    1.4 NOR型Flash存儲器的CFI命令集
    1.5 本章小結
  第二章 加密技術及加密算法簡介
    2.1 加密技術數學模型介紹
    2.2 古典加密算法簡介
      2.2.1 單表代換加密
      2.2.2 多表代換加密
      2.2.3 “謎”密碼機
      2.2.4 置換加密
    2.3 分組加密技術簡介
      2.3.1 DES加密技術
      2.3.2 RCS加密技術
      2.3.3 RC6加密技術
    2.4 本章小結
  第三章 Flash芯片加密存儲方案總體設計
    3.1 軟件形式的明文文本介紹
    3.2 加密體系總體方案設計
    3.3 預加密軟件設計概述
    3.4 安全芯片設計概述
      3.4.1 安全芯片管腳說明
      3.4.2 安全內部模塊概述
        3.4.2.1 命令甄別模塊
        3.4.2.2 密碼機模塊
        3.4.2.3 加密/解密模塊
        3.4.2.4 地址置換模塊
        3.4.2.5 地址計數模塊
        3.4.2.6 內部控制模塊
    3.5 加密方案密鑰設計概述
    3.6 本章小結
  第四章 安全芯片詳細設計
    4.1 集成電路設計簡述
    4.2 安全芯片總體設計
    4.3 命令甄別模塊設計
      4.3.1 算法設計與實現
      4.3.2 信輸入與輸出
    4.4 密碼機模塊設計
      4.4.1 算法設計與實現
        4.4.1.1 索引生成器設計與實現
        4.4.1.2 轉輪映射器設計與實現
        4.4.1.3 待選密碼數組設計與實現
      4.4.2 密鑰組成設計
      4.4.3 信輸入與輸出
      4.4.4 偽隨機密鑰流分析
    4.5 加密/解密模塊設計
      4.5.1 8位數據寬度模式
        4.5.1.1 算法設計與實現
        4.5.1.2 信輸入與輸出
      4.5.2 1 6位數據寬度模式
        4.5.2.1 算法設計與實現
        4.5.2.2 信輸入與輸出
      4.5.3 組合密鑰生成器的設計
    4.6 地址置換模塊設計
      4.6.1 算法設計與實現
      4.6.2 信輸入與輸出
    4.7 地址計數模塊設計
      4.7.1 算法設計與實現
      4.7.2 信輸入與輸出
    4.8 密鑰體系設計
      4.8.1 地址置換模塊密鑰設計
      4.8.2 密碼機模塊密鑰設計
      4.8.3 加密/解密模塊密鑰設計
      4.8.4 安全芯片密鑰整體構成
    4.9 BYTE#管腳功能修正
    4.10 安全芯片兼容性設計
      4.10.1 與非易失性存儲器件FRAM的兼容性設計
      4.10.2 與RAM等易失性存儲器件的兼容性設計
    4.11 本章小結
  第五章 設計結論與前景展望
  參考文獻
  致謝

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