對SRAM工藝的FPGA進行加密的方法淺析

在現代電子系統(tǒng)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(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FPGA器件進行重配置，這就使得可以通過監(jiān)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(yōu)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(yōu)點在于成本較低，升級性能好。

以上幾種方法在系統(tǒng)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(tài)，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(tǒng)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(fā)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(tài)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(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(fā)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(fā)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(tǒng)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(fā)送的ASET信號由低電平跳變?yōu)楦唠娖?，使得FPGA內的PN碼產生電路開始工作，并于CPU發(fā)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(fā)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(fā)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(tài)，SHIFTIN為串行輸入，SHIFTIN為Q0、Q2、Q21、Q23四個狀態(tài)異或運算的結果。

系統(tǒng)加電時，單片機將ASET置為低電平，經過一個非門，變成高電平使移位寄存器處于置位狀態(tài)。在配置完成后，單片機將ASET信號置為高電平，經非門使移位寄存器正常工作。利用移位寄存器電路產生偽隨機碼的電路非常簡單，反饋邏輯也便于修改。

5　單片機驗證偽碼的程序

在位尋址區(qū)（20H～2FH）定義了字節(jié)變量WORD1、WORD2、WORD3、WORD4、WORD5，用來存儲移位寄存器的40個狀態(tài)。其中Q0對應WORD1.0，Q1對應WORD1.1……Q39對應WORD5.7。同時，在位尋址區(qū)定義了WORD6、WORD7、WORD8、WORD9，用來進行后面的反饋邏輯計算。

單片機一上電，首先將ASET腳清零，同時，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，單片機檢測來自FPGA的外部中斷CONFDONE。如果配置完成，CONFDONE為高電；否則，為低電平。在檢測到CONFDONE為高電平，即配置完成后，單片機將ASET腳置為1，使能FPGA內的偽碼發(fā)生電路工作，單片機產生偽隨機碼的流程。配置完成后，首先將Q0輸出到PNMA引腳，接著計算反饋邏輯輸入，將參與反饋運算的幾個狀態(tài)運算結果存在中間變量MID_VARY中。然后，對各個狀態(tài)進行右移，為了提高運算效率，使用了帶進位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)行產生偽隨機碼。

單片機核心源程序如下：

CLR　ASET；單片機上電后將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：

……；進行FPGA的配置工作

JB　CONFDONE，PNPRODUCE；根據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位來存Q0的狀態(tài)

MOV　C，Q2

MOV　WORD7.0，C；用WORD7單元的0位來存Q2的狀態(tài)

; MOV　C，Q21

MOV　WORD8.0，C；用WORD8單元的0位來存Q21的狀態(tài)

MOV　C，Q23

MOV　WORD9.0，C；用WORD9單元的0位來存Q23的狀態(tài)

MOV　ACC，WORD6

XRL　A，WORD7

XRL　A，WORD8

XRL　A，WORD9；通過異或指令，計算反饋邏輯

MOV　C，ACC.0；反饋邏輯為Qin=Q0；

XOR　Q2　XOR　Q21　XOR　Q23

MOV　MID_VARY，C；將運算后的狀態(tài)存到MID_VARY中右移運算

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

饋計算的值賦給Q39

MOV　Q39，C

LJMP　XMALOOP?。焕^續(xù)產生下一代PN碼元

6　其它加密方法介紹及比較

對SRAM工藝的FPGA進行加密，除了可以利用單片機實現外，還可以用E2PROM工藝的CPLD實現。與用單片機實現相比，利用CPLD的優(yōu)點在于可實現高速偽碼，但要在硬件電路中增加一塊CPLD芯片，使整個硬件電路復雜化，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處于空閑狀態(tài)，此時利用單片機進行加密，不需要增加任何電路成本，使得整個系統(tǒng)硬件結構十分簡潔。