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基于PCI總線加密卡硬件設(shè)計(jì)
摘要：介紹基于PCI總線加密卡的硬件組成部分。該加密卡汲取了現(xiàn)代先進(jìn)的加密思想，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度加密功能。關(guān)鍵詞：加密卡 PCI總線 PCI9052 ISP 單片機(jī)
加密是對(duì)軟件進(jìn)行保護(hù)的一種有效手段。從加密技術(shù)的發(fā)展歷程及發(fā)展趨勢(shì)來看，加密可大體劃分為軟加密和硬加密兩種。硬加密的典型產(chǎn)品是使用并口的軟件狗，它的缺點(diǎn)是端口地址固定，容易被邏輯分析儀或仿真軟件跟蹤，并且還占用了有限的并口資源。筆者設(shè)計(jì)的基于ＰＣＩ總線的加密卡具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：第一，ＰＣＩ總線是當(dāng)今計(jì)算機(jī)使用的主流標(biāo)準(zhǔn)總線，具有豐富的硬件資源，因此不易受資源環(huán)境限制；第二，ＰＣＩ設(shè)備配置空間采用自動(dòng)配置方式，反跟蹤能力強(qiáng)；第三，在ＰＣＩ擴(kuò)展卡上易于實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的加密算法。
１ 總體設(shè)計(jì)方案
基于ＰＣＩ總線的加密卡插在計(jì)算機(jī)的ＰＣＩ總線插槽上（５Ｖ ３２Ｂｉｔ連接器），主處理器通過與加密卡通信，獲取密鑰及其它數(shù)據(jù)。加密卡的工作過程和工作原理是：系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分配給加密卡４字節(jié)Ｉ／Ｏ空間，被加密軟件通過驅(qū)動(dòng)程序訪問該Ｉ／Ｏ空間；加密卡收到訪問命令后，通過ＰＣＩ專用接口芯片，把ＰＣＩ總線訪問時(shí)序轉(zhuǎn)化為本地總線訪問時(shí)序；本地總線信號(hào)經(jīng)過轉(zhuǎn)換處理后，與單片機(jī)相連，按約定的通信協(xié)議與單片機(jī)通信。上述過程實(shí)現(xiàn)了主處理器對(duì)加密卡的訪問操作。
圖1 硬件總體設(shè)計(jì)方案
下面以主處理器對(duì)加密卡進(jìn)行寫操作為例，闡述具體的實(shí)現(xiàn)方法。加密卡采用ＰＬＸ公司的ＰＣＩ９０５２作為ＰＣＩ總線周期與本地總線周期進(jìn)行轉(zhuǎn)換的接口芯片。ＰＣＩ９０５２作為ＰＣＩ總線從設(shè)備，又充當(dāng)了本地總線主設(shè)備，對(duì)其配置可通過ＥＥＰＲＯＭ ９３ＬＣ４６Ｂ實(shí)現(xiàn)。主處理器對(duì)加密卡進(jìn)行寫操作，ＰＣＩ９０５２把ＰＣＩ總線時(shí)序轉(zhuǎn)化為８位本地?cái)?shù)據(jù)總線寫操作。這８位本地?cái)?shù)據(jù)總線通過Ｌａｔｔｉｃｅ公司的ｉｓｐＬＳＩ２０６４與單片機(jī)ＡＴ８９Ｃ５１的Ｐ０口相連，２０６４完成ＰＣＩ９０５２本地總線與ＡＴ８９Ｃ５１之間的數(shù)據(jù)傳輸、握手信號(hào)轉(zhuǎn)換控制等功能。２０６４對(duì)８位本地?cái)?shù)據(jù)總線寫操作進(jìn)行處理，產(chǎn)生中斷信號(hào)。該中斷信號(hào)與ＡＴ８９Ｃ５１的ＩＮＴ０＃相連，使ＡＴ８９Ｃ５１產(chǎn)生中斷。ＡＴ８９Ｃ５１產(chǎn)生中斷后，檢測(cè)與其Ｐ２口相連的本地讀寫信號(hào)ＷＲ＃、ＲＤ＃、ＬＷ／Ｒ＃。當(dāng)ＷＲ＃為低電平、ＬＷ／Ｒ＃為高電平時(shí)，ＡＴ８９Ｃ５１判斷目前的操作是否為寫操作。確認(rèn)是寫操作后，ＡＴ８９Ｃ５１把Ｐ０口上的８位數(shù)據(jù)取下來，然后用ＲＤＹ５１＃（經(jīng)２０６４轉(zhuǎn)換后）通知ＰＣＩ９０５２的ＬＲＤＹｉ＃，表明自己已經(jīng)把當(dāng)前的８位數(shù)據(jù)取走，可以繼續(xù)下面的工作。ＰＣＩ９０５２收到ＬＲＤＹｉ＃有效后，結(jié)束當(dāng)前的８位數(shù)據(jù)寫操作。ＰＣＩ總線的一次３２位數(shù)據(jù)寫操作，ＰＣＩ９０５２本地總線需要四次８位數(shù)據(jù)寫操作，通過字節(jié)使能ＬＢＥ１＃、ＬＢＥ０＃區(qū)分當(dāng)前的８位數(shù)據(jù)是第幾個(gè)字節(jié)有效。
加密卡硬件總體設(shè)計(jì)方案如圖１所示。
２ 硬件各組成部分說明
２．１ ＰＣＩ９０５２部分
ＰＣＩ９０５２是ＰＣＩ總線專用接口芯片，采用ＣＭＯＳ工藝，１６０引腳ＰＱＦＰ封裝，符合ＰＣＩ總線標(biāo)準(zhǔn)２．１版。其總線接口信號(hào)與ＰＣＩ總線信號(hào)位置對(duì)應(yīng)，因此可直接相連，易于ＰＣＢ實(shí)現(xiàn)。ＰＣＩ９０５２的最大數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)１３２ＭＢ／ｓ；本地時(shí)鐘最高可至４０ＭＨｚ，且無需與ＰＣＩ時(shí)鐘同步；可通過兩個(gè)本地中斷輸入或軟件設(shè)置產(chǎn)生ＰＣＩ中斷。它支持三種本地總線工作模式，實(shí)際設(shè)計(jì)采用地址和數(shù)據(jù)線非復(fù)用、８位本地?cái)?shù)據(jù)總線、非ＩＳＡ模式。
ＰＣＩ９０５２內(nèi)部有一個(gè)６４字節(jié)ＰＣＩ配置空間，一個(gè)８４字節(jié)本地配置寄存器組。對(duì)ＰＣＩ９０５２的配置可由主機(jī)或符合３線協(xié)議的串行ＥＥＰＲＯＭ完成（注：ＩＳＡ模式必須由串行ＥＥＰＲＯＭ完成配置）。實(shí)際設(shè)計(jì)采用Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司的９３ＬＣ４６Ｂ存放配置信息。系統(tǒng)初始化時(shí)，自動(dòng)將配置信息裝入ＰＣＩ９０５２，約需７８０μｓ。如果ＥＥＰＲＯＭ不存在或檢測(cè)到空設(shè)備，則ＰＣＩ９０５２設(shè)置為默認(rèn)值。
在設(shè)計(jì)中，ＥＥＰＲＯＭ用到的配置項(xiàng)目有：設(shè)備ＩＤ：９０５０；廠商ＩＤ：１０Ｂ５；分類代碼：０７８０；子系統(tǒng)ＩＤ：９０５０；子系統(tǒng)廠商ＩＤ：１０Ｂ５；支持ＩＮＴＡ＃中斷，ＰＣＩ ３Ｃ：０１００；分配４字節(jié)本地Ｉ／Ｏ空間：（例ＬＡＳ０ＲＲ）０ＦＦＦＦＦＦＤ；其它本地地址空間未使用：００００００００；４字節(jié)本地Ｉ／Ｏ空間基地址（模４對(duì)齊）：（ＬＡＳ０ＢＡ）０１２００００１（僅為示例）；４字節(jié)本地Ｉ／Ｏ空間描述符：（ＬＡＳ０ＢＲＤ）００００００２２（非猝發(fā)、ＬＲＤＹｉ＃輸入使能、ＢＴＥＲＭ＃輸入不使能、不預(yù)取、各內(nèi)部等待狀態(tài)數(shù)均為０、８位本地?cái)?shù)據(jù)總線寬度、�。牛睿洌椋幔钅Ｊ剑�；中斷控制／狀態(tài)，Ｌｏｃａｌ ４Ｃ：０００００１４３（ＬＩＮＴｉ１使能、ＬＩＮＴｉ１邊沿觸發(fā)中斷選擇使能、ＬＩＮＴｉ２不使能、ＰＣＩ中斷使能、非軟件中斷、ＩＳＡ接口模式不使能）；Ｕｓｅｒ Ｉ／Ｏ、從設(shè)備應(yīng)答、串行ＥＥＰＲＯＭ、初始化控制，Ｌｏｃａｌ ５０：０００２４４９２。有兩點(diǎn)要注意：一是設(shè)計(jì)中采用ＰＬＸ公司推薦使用的串行ＥＥＰＲＯＭ ９３ＬＣ４６Ｂ按字（１６ ｂｉｔ）為單位組織；二是ＥＥＰＲＯＭ開發(fā)器編輯輸入與手工書寫的順序?qū)?yīng)關(guān)系，以廠商ＩＤ：１０Ｂ５為例，在開發(fā)器編輯輸入的是ｂ５１０，而不是１０Ｂ５。
ＰＣＩ９０５２本地信號(hào)的含義是：ＬＡＤ[７．．０]：本地８位數(shù)據(jù)總線；ＷＲ＃：寫有效；ＲＤ＃：讀有效；ＬＷ／Ｒ＃：數(shù)據(jù)傳輸方向，高電平為寫操作，低電平為讀操作；ＬＢＥ１＃和ＬＢＥ０＃：字節(jié)使能，表明當(dāng)前ＬＡＤ[７．．０]上的數(shù)據(jù)是第幾個(gè)字節(jié)（０到３）；ＢＬＡＳＴ＃：ＰＣＩ９０５２寫數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好或讀數(shù)據(jù)已取走；ＬＲＤＹｉ＃：外部設(shè)備
（此設(shè)計(jì)指單片機(jī)）已把ＰＣＩ９０５２寫操作數(shù)據(jù)取走或讀操作數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好；ＬＩＮＴｉ１：外部設(shè)備通過ＬＩＮＴｉ１向主機(jī)發(fā)送ＩＮＴＡ＃中斷，當(dāng)單片機(jī)驗(yàn)證密鑰正確，向主處理器發(fā)送請(qǐng)求，表明可以開始從中讀取相關(guān)數(shù)據(jù)。
需注意的是，ＰＣＩ９０５２在使用時(shí)，某些引腳要加阻值為１ｋΩ～１０ｋΩ的下拉或上拉電阻。因此在實(shí)現(xiàn)時(shí)，給ＭＯＤＥ、ＬＨＯＬＤ、ＬＩＮＴｉ１引腳加下拉電阻，ＣＨＲＤＹ、ＥＥＤＯ、ＬＲＤＹｉ＃引腳加上拉電阻。
圖2 PCI9052本地寫時(shí)序
以主處理器向單片機(jī)寫數(shù)據(jù)為例，圖２給出了ＰＣＩ９０５２的本地寫時(shí)序。
２．２ ｉｓｐＬＳＩ２０６４部分
為降低數(shù)據(jù)被解析的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)盡量減少使用分離元件。因此在設(shè)計(jì)中選用了Ｌａｔｔｉｃｅ公司的ＣＰＬＤ ｉｓｐＬＳＩ２０６４。該芯片采用ＥＥＣＭＯＳ技術(shù)，１００引腳ＴＱＦＰ封裝，擁有２０００個(gè)ＰＬＤ門，６４個(gè)Ｉ／Ｏ引腳另加４個(gè)專用輸入，６４個(gè)寄存器，３個(gè)全局時(shí)鐘，ＴＴＬ兼容的輸入輸出信號(hào)。２０６４具有在系統(tǒng)可編程ＩＳＰ（Ｉｎ－Ｓｙｓｔｅｍ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ）功能，可方便實(shí)現(xiàn)硬件重構(gòu)，易于升級(jí)，降低了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，并且安全性能高。ＰＣＩ９０５２與單片機(jī)之間的８位數(shù)據(jù)線進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸，不能簡(jiǎn)單地直接相連，需要進(jìn)行傳輸方向控制和數(shù)據(jù)隔離。故用２０６４作為ＰＣＩ９０５２本地信號(hào)與單片機(jī)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)傳遞的接口，圖３給出了８位數(shù)據(jù)信號(hào)雙向傳輸?shù)脑韴D。２０６４的開發(fā)軟件ｉｓｐＤｅｓｉｇｎＥｘｐｅｒｔ ８．２版支持ＶＨＤＬ、Ｖｅｒｉｌｏｇ ＨＤＬ、Ａｂｅｌ等語言及原理圖輸入，且通過專用下載電纜可把最終生成的ＪＥＤＥＣ文件寫入２０６４，實(shí)現(xiàn)編程。在設(shè)計(jì)時(shí)采用了原理圖輸入的方法。
原理圖中用到的ＢＩ１８的功能描述為：當(dāng)ＯＥ＝１時(shí)，ＸＢ為輸出，Ａ為輸入，即ＸＢ＝Ａ；當(dāng)ＯＥ＝０時(shí)，ＸＢ為輸入，Ｚ為輸出，即Ｚ＝ＸＢ。ＦＤ２８的功能描述為：８位Ｄ觸發(fā)器（帶異步清除）。結(jié)合ＰＣＩ９０５２本地讀寫時(shí)序，可以分析得出，在進(jìn)行讀寫操作時(shí)，圖３實(shí)現(xiàn)了ＬＡＤ[７．．０]與Ｄ[７．．０]之間正常的數(shù)據(jù)傳輸；在非讀寫時(shí)，雙方數(shù)據(jù)處于正常隔離狀態(tài)。
２．３ 單片機(jī)ＡＴ８９Ｃ５１部分
單片機(jī)采用ＡＴＭＥＬ公司的ＡＴ８９Ｃ５１。這是一個(gè)８位微處理器，采用ＣＭＯＳ工藝，４０引腳ＤＩＰ封裝。它含有４Ｋ字節(jié)Ｆｌａｓｈ和１２８字節(jié)ＲＡＭ，且自身具有加密保護(hù)功能。單片機(jī)不進(jìn)行外部存儲(chǔ)器和ＲＡＭ的擴(kuò)展，程序存儲(chǔ)和運(yùn)行均在片內(nèi)完成，有效地保證了加密強(qiáng)度。
圖3 LAD[7..0]與D[7..0]之間的數(shù)據(jù)傳輸
單片機(jī)的Ｐ０口接圖３的Ｄ[７．．０]，并加１０ｋΩ的上拉排阻。ＷＲ＃、ＲＤ＃、Ｗ／Ｒ＃、ＢＥ１＃、ＢＥ０＃作為單片機(jī)輸入信號(hào)接Ｐ２口。ＰＣＩ９０５２寫數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好或讀數(shù)據(jù)已取走信號(hào)ＲＥＱ９０５２＃作為單片機(jī)輸入信號(hào)接Ｐ３．２（ＩＮＴ０＃);寫數(shù)據(jù)單片機(jī)已取走或讀數(shù)據(jù)單片機(jī)準(zhǔn)備好信號(hào)ＲＤＹ５１＃作為單片機(jī)輸出信號(hào)接Ｐ１．０;接Ｐ１．１的ＯＶＥＲ５１＃作為單片機(jī)輸出信號(hào)，經(jīng)２０６４接ＰＣＩ９０５２的ＬＩＮＴｉ１，通過ＬＩＮＴｉ１向主機(jī)發(fā)送ＩＮＴＡ＃中斷請(qǐng)求。
基于ＰＣＩ總線的加密卡，依照ＰＣＩ總線標(biāo)準(zhǔn)２．１版，通過動(dòng)態(tài)分配４字節(jié)Ｉ／Ｏ空間，實(shí)現(xiàn)主處理器與卡上單片機(jī)之間的握手通信。被加密軟件通過訪問加密卡，獲取軟件正常執(zhí)行的相關(guān)權(quán)限。在加密卡不存在的情況下，被加密軟件因得不到相關(guān)授權(quán)而無法運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)了加密功能。在單片機(jī)的存儲(chǔ)器里，除了存放密鑰之外，設(shè)計(jì)者還可以把被加密軟件的部分程序、算法或常數(shù)寫入單片機(jī)的存儲(chǔ)器，在加密卡不存在的情況下，被加密軟件的功能是不完整的，從根本上防止了軟件破解。
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