面向移動(dòng)安全存儲(chǔ)的密碼SoC設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王雪瑞 ，何永強(qiáng) ，公 鑫

（1.河南工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.解放軍信息工程大學(xué)，河南 鄭州451191）

移動(dòng)存儲(chǔ)產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，是不可或缺的信息交換載體，特別在日常辦公系統(tǒng)中，以U盤(pán)、固態(tài)移動(dòng)硬盤(pán)為代表的存儲(chǔ)介質(zhì)的使用日益普遍。而在實(shí)際應(yīng)用中，移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備易丟失、易損壞、易染病毒、不可控的特性也使數(shù)據(jù)安全無(wú)法得到充分保證。因遺失、暴力破解、主動(dòng)泄密、木馬攻擊等方式導(dǎo)致的泄密事件也在逐漸上升[1]。為了解決這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)研制出多款相關(guān)安全產(chǎn)品，但是這些安全產(chǎn)品大多采用單一算法或固定的幾種算法，其靈活性和安全性都不夠高，無(wú)法滿足不同設(shè)計(jì)的安全需求[2]。

針對(duì)現(xiàn)有安全SoC存在的問(wèn)題，本文基于高性能嵌入式CPU構(gòu)建并設(shè)計(jì)了一款密碼SoC平臺(tái)。該SoC平臺(tái)采用自主設(shè)計(jì)的安全協(xié)處理器執(zhí)行密碼操作，經(jīng)驗(yàn)證可適用于三類主要的密碼算法[3]：對(duì)稱密鑰加密算法、散列算法和公開(kāi)密鑰加密算法。此外，設(shè)計(jì)了高性能NAND Flash控制器，支持外接多種類型的NAND Flash芯片（SLC、MLC和 TLC），最大支持容量為 160 GB。本設(shè)計(jì)可應(yīng)用于加密U盤(pán)、加密U盤(pán)KEY、加密移動(dòng)硬盤(pán)、高速加密流轉(zhuǎn)接器等設(shè)備中。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文提出的密碼SoC架構(gòu)如圖1所示。其中集成了兩種處理器核，分別是通用處理器（LEON2）和 4個(gè)安全協(xié)處理器（Security ASIP），兩者通過(guò)系統(tǒng)總線相連。所有涉及加解密的運(yùn)算都被映射到安全協(xié)處理器中執(zhí)行。DMA控制器負(fù)責(zé)把將要執(zhí)行的加解密任務(wù)按照CPU的配置分配到各安全處理器中，CPU只承擔(dān)控制和部分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸任務(wù)，絕大部分的運(yùn)算由安全協(xié)處理器完成，CPU在大部分時(shí)間處于掛起（suspend）狀態(tài)，直到有中斷將其喚醒。片上存儲(chǔ)器主要包括EFlash/SRAM，用于存儲(chǔ)操作系統(tǒng)引導(dǎo)程序、用戶程序等；物理噪聲源主要用于產(chǎn)生真隨機(jī)數(shù)，生成密碼運(yùn)算時(shí)的消息密鑰；兩個(gè)USB-OTG接口可根據(jù)應(yīng)用需求設(shè)置成Host、Device或OTG，支持多達(dá)6個(gè)端點(diǎn)，可設(shè)置成多重復(fù)合設(shè)備，最大限度地滿足用戶的設(shè)計(jì)需求；NAND Flash控制器負(fù)責(zé)產(chǎn)生符合NAND Flash接口操作規(guī)范的時(shí)序信號(hào)，帶有ECC校驗(yàn)?zāi)K，每512 B可修正位數(shù)為1 bit或8 bit，支持外接8片NAND Flash。另外還包含有低速通信接口、定時(shí)器、中斷控制器、存儲(chǔ)保護(hù)單元、功耗管理單元等輔助模塊，用于完成平臺(tái)的其他功能。

1.2 安全協(xié)處理器結(jié)構(gòu)

分析現(xiàn)有的安全存儲(chǔ)設(shè)備[4]可以發(fā)現(xiàn)，在使用存儲(chǔ)設(shè)備之前，必須對(duì)使用者進(jìn)行身份驗(yàn)證；文件讀寫(xiě)時(shí)，必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加解密操作；為了保證數(shù)據(jù)的完整性，必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性驗(yàn)證操作。所以，密碼SoC必須能夠靈活處理對(duì)稱、公鑰和雜湊三類算法，這個(gè)任務(wù)主要由安全協(xié)處理器完成。在進(jìn)行安全協(xié)處理器的設(shè)計(jì)之前，必須對(duì)各類密碼的執(zhí)行特點(diǎn)進(jìn)行分析。由專門的工具[5]分析可以得出各種密碼算法的執(zhí)行特點(diǎn)。部分AES算法的計(jì)算特征分析結(jié)果如表1所示。

表1 AES計(jì)算特征分析結(jié)果

對(duì)各類密碼算法的特點(diǎn)進(jìn)行分析后，本文提出了如圖2所示的安全協(xié)處理器架構(gòu)。該安全協(xié)處理器基于傳統(tǒng)的RISC處理器結(jié)構(gòu)所設(shè)計(jì)，分為取指令（IF）級(jí)、譯碼（ID）級(jí)、執(zhí)行（EXE）級(jí)/memory訪存級(jí)和寫(xiě)回（write）級(jí)四級(jí)，能支持標(biāo)準(zhǔn)的RISC指令，并且還能執(zhí)行一些專門設(shè)計(jì)的特殊指令。在執(zhí)行級(jí)，不僅有處理正常RISC標(biāo)準(zhǔn)指令的ALU單元，還有專用的硬件功能單元、PTLU(Parallel Table Look-Up)和 MHU(Mul/Div unit&Hash Unit)，用來(lái)對(duì)算法中比較耗時(shí)的運(yùn)算（如查找表、模乘等操作）進(jìn)行加速。為了加快安全協(xié)處理器的指令和數(shù)據(jù)的存取速度，在協(xié)處理器內(nèi)部分別嵌入1 KB大小的指令RAM和數(shù)據(jù)RAM，用來(lái)存放協(xié)處理器的指令和數(shù)據(jù)。該協(xié)處理器指令集不僅包括標(biāo)準(zhǔn)的算術(shù)和邏輯運(yùn)算指令，還包括專用的密碼運(yùn)算指令，如PTAES、PTW、MOD_MUL等。

1.3 NAND Flash控制器設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的NAND Flash控制器[7]結(jié)構(gòu)如圖3所示。NAND Flash控制器包含總線接口模塊、DMA握手接口模塊、控制狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換的主控邏輯模塊，用以緩沖數(shù)據(jù)、收發(fā)命令和狀態(tài)字的緩沖器(buffer)；提供ECC校驗(yàn)糾錯(cuò)功能的ECC模塊和直接控制NAND Flash存儲(chǔ)體的接口模塊。

總線接口模塊負(fù)責(zé)接收CPU發(fā)送的指令，將收發(fā)數(shù)據(jù)送至相應(yīng)數(shù)據(jù)寄存器和指令寄存器，并將狀態(tài)寄存器內(nèi)容返回給CPU核；主控邏輯模塊負(fù)責(zé)整個(gè)Flash控制器的控制工作，包含指令、狀態(tài)、配置、數(shù)據(jù)、頁(yè)交換使能、錯(cuò)誤地址等寄存器，是控制器的核心。

ECC模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)存入NAND Flash中的數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯(cuò)編碼并對(duì)從NAND Flash中讀出的數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯(cuò)譯碼的工作。DMA握手接口模塊在系統(tǒng)DMA參與數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下，負(fù)責(zé)DMA與NAND Flash控制器之間的硬件握手功能。相比與直接由CPU核發(fā)送命令字給NAND Flash，然后直接從I/O口讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的工作方式，通過(guò)DMA方式的傳輸效率明顯要高。特別在連續(xù)讀取大批量數(shù)據(jù)的情況下，這種工作方式的優(yōu)點(diǎn)能更好地體現(xiàn)出來(lái)。在實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用中(如數(shù)碼照片的存取)，讀寫(xiě)數(shù)據(jù)量一般都是頁(yè)大小的上千倍，所以這樣的設(shè)計(jì)有助于提高產(chǎn)品的實(shí)用性。

該NAND Flash控制器支持外接8片NAND Flash芯片。為了提高數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)并行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)的支持，控制器的數(shù)據(jù)線位寬設(shè)置為16 bit，可以支持對(duì)兩片數(shù)據(jù)線位

寬為8 bit的NAND Flash的并行讀寫(xiě)操作；同時(shí)，本設(shè)計(jì)對(duì)控制器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，使其能夠支持對(duì)多片NAND Flash芯片的流水線讀寫(xiě)操作。為了更好地支持SLC、MLC和TLC NAND Flash器件，還設(shè)計(jì)了基于漢明碼的1 bit ECC糾錯(cuò)模塊和可糾正8 bit隨機(jī)錯(cuò)誤的BCH編/譯碼器，用戶可以根據(jù)需要選擇相應(yīng)的ECC操作。

2 高速存儲(chǔ)技術(shù)

NAND Flash器件屬于低速設(shè)備。以K9WBG08U1M為例，芯片的寫(xiě)入時(shí)間分為加載時(shí)間和編程時(shí)間兩部分，寫(xiě)滿一頁(yè)所需的命令、地址和數(shù)據(jù)的加載時(shí)間約為102.5 μs，最大編程時(shí)間約為 700 μs。 在寫(xiě)入過(guò)程中，因還要進(jìn)行BCH編碼等操作，也會(huì)消耗一些時(shí)間，所以設(shè)計(jì)中，使用最大的編程時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，而單片F(xiàn)lash其寫(xiě)入速度最高也只有5.1 MB/s，NAND Flash的讀寫(xiě)速度也會(huì)成為系統(tǒng)性能的瓶頸。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以采用如下技術(shù)。

2.1 數(shù)據(jù)并行處理技術(shù)

因Flash的數(shù)據(jù)位寬一般為8 bit，如果按傳統(tǒng)的操作方法對(duì)Flash進(jìn)行讀寫(xiě)，即寫(xiě)完一片NAND Flash之后再寫(xiě)下一片，其最高的存儲(chǔ)速度只有5.1 MB/s，無(wú)法適用于高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。為此，本文設(shè)計(jì)的NAND Flash控制器將I/O數(shù)據(jù)線設(shè)為16 bit，主控制可以通過(guò)配置來(lái)選擇數(shù)據(jù)線的位數(shù)。當(dāng)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行并行處理時(shí)，將兩片低速Flash芯片并聯(lián)起來(lái)，使用相同的控制線、片選和讀寫(xiě)信號(hào)線，組成一個(gè)多位寬的Flash組；兩片F(xiàn)lash并行工作時(shí)，一片存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的高8 bit，一片存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的低8 bit，這樣，存儲(chǔ)容量和存儲(chǔ)速度都是單片F(xiàn)lash的2倍。

2.2 流水線技術(shù)

流水線技術(shù)在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用，它是提高硬件資源利用率和執(zhí)行效率的有效手段，該技術(shù)可以有效提高存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能。本文設(shè)計(jì)的NAND Flash控制器中只有一個(gè)讀數(shù)據(jù)FIFO和一個(gè)寫(xiě)數(shù)據(jù)FIFO，大小均為4 KB。當(dāng)對(duì)一片NAND Flash進(jìn)行操作時(shí)，在命令或數(shù)據(jù)加載完成后，該片NAND Flash會(huì)處于忙狀態(tài)，此時(shí)讀或?qū)憯?shù)據(jù)FIFO由于處于空閑或等待狀態(tài)未被使用，因此控制器可以繼續(xù)對(duì)處于空閑狀態(tài)的NAND Flash進(jìn)行操作，如此便形成流水線操作。還可以把兩片NAND Flash作為一組進(jìn)行數(shù)據(jù)并行處理，共4組進(jìn)行流水線操作，以達(dá)到最大的數(shù)據(jù)吞吐率。其流水寫(xiě)操作時(shí)序如圖4所示。

3 功能驗(yàn)證與性能分析

本文采用兩塊FPGA開(kāi)發(fā)板完成SoC平臺(tái)的驗(yàn)證，F(xiàn)PGA型號(hào)均為Xilinx Virtex5-xc5vlx85，兩者之間通過(guò)自制的電路板進(jìn)行通信驗(yàn)證流程：首先通過(guò)JTAG接口向EFlash中下載一個(gè)boot-loader程序，用于SoC系統(tǒng)的啟動(dòng)和測(cè)試向量的下載；SoC系統(tǒng)的硬件驅(qū)動(dòng)和安全協(xié)處理器程序通過(guò)UART接口下載到系統(tǒng)中；PC端通過(guò)UART接口給出控制命令，選擇NAND Flash控制器和安全協(xié)處理的工作模式；PC端通過(guò)USB接口對(duì)NAND Flash進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)的測(cè)試。系統(tǒng)工作時(shí)鐘為80 MHz，選擇K9WBG08U1M作為實(shí)體NAND Flash器件對(duì)SoC進(jìn)行測(cè)試。單片K9WBG08U1M的情況下，讀速度可以達(dá)到19.3 MB/s，寫(xiě)速度可以達(dá)到 9.6 MB/s；兩片K9F1208UOB并行連接時(shí)，讀速度可達(dá)37.5 MB/s，寫(xiě)速度可達(dá)18.4 MB/s。

安全協(xié)處理器性能、面積與參考文獻(xiàn)中的設(shè)計(jì)比較結(jié)果如表2所示。

表2 性能與面積比較

經(jīng)過(guò)SMIC 0.18 μm工藝庫(kù)的綜合，整個(gè)平臺(tái)的面積約為250萬(wàn)門，最高工作頻率為100 MHz。

本文設(shè)計(jì)的面向大安全存儲(chǔ)的密碼SoC集成了多個(gè)高性能安全協(xié)處理器，極大地提高了系統(tǒng)的密碼處理性能。設(shè)計(jì)的NAND Flash可支持外接多種類型(如SLC、MLC和 TLC)的 NAND Flash芯片，并且支持多片 NAND Flash的并行讀寫(xiě)和流水線讀寫(xiě)操作，最大支持160 GB存儲(chǔ)容量?；贔PGA的驗(yàn)證表明，其能夠靈活支持多種密碼算法的實(shí)現(xiàn)，具有較高的NAND Flash訪問(wèn)速度。

該設(shè)計(jì)可應(yīng)用于加密U盤(pán)、加密U盤(pán)KEY、加密移動(dòng)硬盤(pán)、高速加密流轉(zhuǎn)接器等設(shè)備中。

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