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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。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。
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，SH
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