面向安全啟動(dòng)的SPI Flash控制器

吳雪濤，戴紫彬，張立朝

（信息工程大學(xué) 密碼工程學(xué)院，河南 鄭州450001）

0 引 言

串行接口NOR Flash簡稱SPI Flash，它具有讀取速度快、穩(wěn)定性高、易用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已成為最常見的非易失性存儲(chǔ)介質(zhì)之一［1］。

在以SPI Flash為主要存儲(chǔ)載體的SoC設(shè)備中需要加入專用的控制器來完成對(duì)SPI Flash的多種操作［2］。目前，常見的SPI Flash控制器主要有全硬件和軟硬件結(jié)合兩種實(shí)現(xiàn)方式［3，4］，文獻(xiàn) ［3］采用軟硬件結(jié)合的實(shí)現(xiàn)方式，可操作性強(qiáng)、適用性廣泛但是無法支持系統(tǒng)啟動(dòng)；文獻(xiàn) ［4］采用全硬件的實(shí)現(xiàn)方式，讀取速度快、能夠支持系統(tǒng)啟動(dòng)，但是在讀取過程中無法進(jìn)行數(shù)據(jù)加解密操作，因此其中重要數(shù)據(jù)尤其是啟動(dòng)代碼的安全性無法保障。

針對(duì)上述情況，為提高系統(tǒng)啟動(dòng)過程和片外存儲(chǔ)功能的安全性，本文基于AHB總線協(xié)議設(shè)計(jì)了一款ESSB （encryption storage and security boot）型SPI Flash控制器，在保證其使用效率的同時(shí)可支持系統(tǒng)安全啟動(dòng)和加密存儲(chǔ)。本文設(shè)計(jì)的控制器采用緩存結(jié)構(gòu)提高讀寫速度，提出了一種二次解析方法對(duì)SPI Flash的繁雜功能和操作進(jìn)行優(yōu)化，提高了可操作性。

1 SPI Flash差異性分析

不同廠商生產(chǎn)的SPI Flash芯片各有特點(diǎn)，為設(shè)計(jì)具有廣泛適用性的控制器，需要研究多種芯片的差異性，找到它們的共同點(diǎn)，并針對(duì)適用性較廣的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以提高兼容性。

表1 通過對(duì)GigaDevice（兆易半導(dǎo)體）、Winbond （華邦電子）、Spansion （飛索半導(dǎo)體）、ATMEL （愛特梅爾半導(dǎo)體）等幾大主要SPI Flash廠商生產(chǎn)產(chǎn)品的對(duì)比發(fā)現(xiàn)了幾點(diǎn)不同：①管腳信號(hào)數(shù)目方面在是否支持Reset＃上各有不同；②功能方面在是否支持雙端 （dual）和四端 （quad）模式、是否設(shè)置了緩存上略有差異，如ATMEL 的雙SRAM Buffer結(jié)構(gòu)；③部分芯片還有其特殊功能，如飛索半導(dǎo)體的AutoBoot。但是在主要功能和結(jié)構(gòu)上是具有很多相同點(diǎn)的：操作碼 （OP code）基本一致，操作時(shí)序基本一致，必要功能均得到很好支持等。除ATMEL 的AT45系列外其余幾個(gè)廠商所生產(chǎn)的芯片在主要操作上完全相同，如操作代碼和操作時(shí)序，且他們?cè)诠δ苌铣恍└郊庸δ芡馐峭ㄓ玫?，因此就上述通用操作代碼集和基本功能設(shè)計(jì)的控制器是具有廣泛適用性的。

表1 主流SPI Flash廠商產(chǎn)品功能對(duì)比

據(jù)以上分析，本文設(shè)計(jì)的控制器能夠支持讀寫、快速讀寫、擦除、安全區(qū)域讀寫等主要功能，兼容兩種訪問接口，即能夠支持RESET＃信號(hào)的硬件復(fù)位功能，其余信號(hào)為CS＃、SO、WP＃、SI、HOLD＃、SCLK。對(duì)Flash芯片的控制都是通過SI、SO、WP、HOLD這4個(gè)控制信號(hào)來控制完成的。

2 SPI Flash控制器設(shè)計(jì)

SPI Flash在SoC設(shè)備中主要作為程序存儲(chǔ)器，用來存儲(chǔ)啟動(dòng)程序、操作系統(tǒng)等代碼量不大的固件程序，也可用來存儲(chǔ)少量重要數(shù)據(jù)。針對(duì)許多應(yīng)用場景對(duì)系統(tǒng)啟動(dòng)過程的高效性和高安全性要求，本文所設(shè)計(jì)的SPI Flash控制器加入了Boot Supporter結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了高效的系統(tǒng)啟動(dòng)，同時(shí)集成了獨(dú)立的數(shù)據(jù)保護(hù)電路，保證了啟動(dòng)代碼及重要數(shù)據(jù)的完整性和安全性。

2.1 控制器總體結(jié)構(gòu)

為保證各功能模塊的獨(dú)立性和靈活性，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，該控制器整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。本文設(shè)計(jì)的ESSB型SPI Flash控制器由以下幾個(gè)模塊組成：接口和地址譯碼模塊 （wrapper ＆addr＿decorder）、輸入控制模塊 （inFSM）、輸出控制模塊 （outFSM）、微控制器模塊 （MCU）、啟動(dòng)支持模塊 （boot supporter）、SRAM、數(shù)據(jù)保護(hù)模塊（DPM）和輸入輸出FIFO 等。

控制器的信號(hào)傳遞過程為：接口和地址譯碼模塊接收AHB總線信號(hào)，直接向微控制模塊發(fā)出操作指令，由輸入（輸出）FIFO 和控制模塊完成數(shù)據(jù)的傳輸，傳輸完成后由控制模塊完成串并轉(zhuǎn)換，根據(jù)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加解密，生成指令序列，最后由微控制器匹配成SPI Flash芯片所能接受的時(shí)序完成相應(yīng)操作。

圖1 SPI Flash控制器結(jié)構(gòu)

2.2 接口和地址譯碼模塊

為了使控制器更好地與總線配合，設(shè)計(jì)了接口和地址譯碼模塊 （wrapper ＆addr＿decorder）以解析總線時(shí)序并處理跨時(shí)鐘域問題。由于SPI Flash的功能較為繁雜可操作性差，在進(jìn)行某些操作前還需要幾個(gè)先行配置操作，為用戶的使用帶來了極大不便。本文提出了一種二次解析的方法將其優(yōu)化。wrapper ＆addr＿decorder模塊對(duì)總線的請(qǐng)求進(jìn)行先后兩次解析才轉(zhuǎn)換為Flash芯片可接受的命令，第一次解析是通過總線信號(hào)解析出用戶所執(zhí)行的操作，并自動(dòng)完成配置操作形成操作流；第二次解析是將此完整的操作流解析為相應(yīng)指令序列傳輸給Flash芯片。采用這種方法，用戶既無需了解SPI Flash芯片各功能的OP Code也無需了解某項(xiàng)操作所需的配置操作而只需簡單地了解一套連續(xù)的數(shù)值各代表哪種操作即可，提高了使用性。

本文設(shè)計(jì)的控制器在wrapper ＆addr＿decorder模塊中設(shè)置了一組可直接訪問的命令寄存器，總線對(duì)命令寄存器寫入不同數(shù)據(jù)將被解析出不同的操作，而后在內(nèi)部填充好配置操作產(chǎn)生出完整的功能代碼傳送給Flash芯片，完成相應(yīng)操作，例如：寫入0x001即實(shí)現(xiàn)QPP （四端頁寫）功能，內(nèi)部將自動(dòng)依次向SPI Flash芯片輸入06H （寫使能）、01H （寫狀態(tài)寄存器）指令代碼，然后由MCU 自動(dòng)循環(huán)讀取狀態(tài)寄存器的數(shù)值直到寫入完成，最后輸入32H （四端頁寫）指令代碼。本文所使用的OP Code集為上一節(jié)分析得出的具有較強(qiáng)普遍性的代碼集，為防止出錯(cuò)常用操作的寫入數(shù)據(jù)采用熱編碼機(jī)制。其中QPP、QWFR （四端快速讀）、SE （扇區(qū)擦除）的OP Code與命令寄存器中輸入數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)以及它們?cè)赪rapper模塊內(nèi)部的執(zhí)行過程如圖2所示。

圖2 命令寄存器功能映射及執(zhí)行過程

2.3 啟動(dòng)支持模塊

由于SPI Flash的讀寫速度較SRAM 等易失性存儲(chǔ)介質(zhì)慢得多，所以多用于程序的存儲(chǔ)而執(zhí)行一般在SRAM 上完成。為支持系統(tǒng)啟動(dòng)代碼的加載和執(zhí)行過程，本文設(shè)計(jì)的控制器中加入了Boot Supporter模塊，包括Boot Supporter和SRAM。該模塊既能很好地支持啟動(dòng)程序的執(zhí)行過程又能提高啟動(dòng)速度，在非啟動(dòng)應(yīng)用下作為DPM 模塊臨時(shí)數(shù)據(jù)的緩存，能夠減小硬件開銷，提高使用效率。

Boot Supporter與SRAM 共同實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的啟動(dòng)功能。由于SPI Flash的一個(gè)扇區(qū)為4 K 字節(jié)，而且一般情況下SoC設(shè)備的啟動(dòng)代碼不會(huì)超過4K 字節(jié)，所以將SRAM 的容量設(shè)置為4K 字節(jié)。Boot Supporter作為啟動(dòng)過程的控制器，既能夠模擬SRAM 的時(shí)序，完成對(duì)SRAM 的讀寫操作，又能夠接受來自MCU 和DPM 的信號(hào)實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能。在其內(nèi)部設(shè)置有狀態(tài)寄存器，為方便讀寫，設(shè)置為32 bit。在系統(tǒng)啟動(dòng)階段MCU 通過mode＿sel信號(hào)修改相應(yīng)的標(biāo)識(shí)位使Boot Supporter模塊進(jìn)入啟動(dòng)模式。在啟動(dòng)模式下，為了完成啟動(dòng)代碼的讀寫，Boot Supporter模塊支持AHB總線經(jīng)wrapper模塊對(duì)SRAM 中的啟動(dòng)代碼進(jìn)行直接讀寫；啟動(dòng)過程完成后，model＿sel信號(hào)使其退出啟動(dòng)模式，為保護(hù)SRAM 中緩存的數(shù)據(jù)不再支持直接讀寫。在非啟動(dòng)模式下，DPM 模塊工作的過程中需要緩存大量的數(shù)據(jù)，為此特別擴(kuò)展了其緩存功能，DPM 模塊可以直接將需緩存數(shù)據(jù)經(jīng)Boot Supporter傳輸至SRAM 中，此時(shí)Boot Supporter的功能簡化為SRAM 控制器，在整個(gè)SPI Flash控制器內(nèi)形成一個(gè)閉合的獨(dú)立存儲(chǔ)空間，保證了DPM 運(yùn)行過程中數(shù)據(jù)的安全性。

2.4 數(shù)據(jù)保護(hù)模塊

在安全性需求較高的應(yīng)用場景下，為保證系統(tǒng)的安全啟動(dòng)，啟動(dòng)代碼需要加密存儲(chǔ)，因此僅能夠完成代碼的加載和執(zhí)行是不夠的，還需要通過加密來保證其安全性。

為了對(duì)Flash芯片中的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密存儲(chǔ)，本文采用了AES－TAC／iHASH 片外存儲(chǔ)安全防護(hù)技術(shù)［9］作為獨(dú)立的數(shù)據(jù)保護(hù)模塊DPM （data protection module），并針對(duì)本文特點(diǎn)加以改進(jìn)。文獻(xiàn) ［9］的設(shè)計(jì)中為安全合理地保存iHASH 模塊產(chǎn)生的標(biāo)簽以及AES－OTP模塊所產(chǎn)生的時(shí)間標(biāo)簽TS （time stamp）在其結(jié)構(gòu)中加入了標(biāo)簽緩存，這樣一來硬件開銷會(huì)明顯增大，本文的設(shè)計(jì)中由于Boot Supporter模塊 （見2.3）的存在很好地解決了這個(gè)問題，減小了硬件開銷的同時(shí)也保證了標(biāo)簽的安全性；在文獻(xiàn) ［9］的工作流程中，明文經(jīng)過iHASH 模塊產(chǎn)生的標(biāo)簽也被加密存儲(chǔ)在緩存中，在本文的應(yīng)用中無需將其標(biāo)簽再次加密存儲(chǔ)，提高了運(yùn)行效率。圖3為DPM 模塊內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。為抵抗竊聽攻擊且增強(qiáng)靈活性，AES core所需密鑰采用外部注入的方式，本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)保護(hù)模塊，可抵抗篡改攻擊、拷貝攻擊、竊取攻擊、監(jiān)聽攻擊等攻擊模型有力地保證了數(shù)據(jù)的完整性和安全性。

圖3 DPM 模塊結(jié)構(gòu)

在DPM 模塊中設(shè)置有配置寄存器和標(biāo)識(shí)寄存器。配置寄存器用來指示當(dāng)前輸入的數(shù)據(jù)是否需要加密存儲(chǔ)功能。配置寄存器的配置由wrapper模塊解析特定的命令完成，在數(shù)據(jù)進(jìn)入前配置完成，當(dāng)檢測到數(shù)據(jù)輸入完成信號(hào)后根據(jù)配置寄存器的值完成相應(yīng)的操作。標(biāo)志寄存器可被隨時(shí)讀取以了解當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)有工作狀態(tài)、工作模式、iHASH 值生成、完整性檢測、密鑰注入完成、keystream生成、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)解密等標(biāo)志位以表示響應(yīng)工作狀態(tài)。

需要加以說明：在相當(dāng)多的情況下我們存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)并不需要進(jìn)行加密或是添加雜湊值。為了增強(qiáng)電路的靈活性，使得控制器容易識(shí)別出此段代碼是否經(jīng)過了加密處理。本文人為地將整個(gè)Flash芯片存儲(chǔ)區(qū)域劃分為兩部分，其中一部分用來存儲(chǔ)需加密存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，另一部分存儲(chǔ)未加密數(shù)據(jù)。寫入時(shí)，當(dāng)寫入?yún)^(qū)域與加密設(shè)置不符合時(shí)提示錯(cuò)誤，讀取時(shí)根據(jù)所讀取的區(qū)域進(jìn)行是否進(jìn)行解密運(yùn)算。

3 控制器操作流程

SPI Flash的操作時(shí)序較為復(fù)雜，本文設(shè)計(jì)的控制器通過優(yōu)化使其復(fù)雜度大大降低，下面給出其操作流程。圖4以四端快速讀取操作為例給出了的一般的工作流程。

經(jīng)優(yōu)化后的操作流程有較高的一致性，依次可分為4個(gè)階段：輸入階段、校驗(yàn)階段、序列階段、接收階段，不同的操作可能只有其中的幾個(gè)甚至只有一個(gè)階段。輸入階段需要使用者向命令寄存器輸入與操作對(duì)應(yīng)的命令代碼、向地址寄存器輸入操作執(zhí)行的地址、向數(shù)據(jù)端口輸入即將操作的數(shù)據(jù)，不同的操作需輸入的內(nèi)容會(huì)有所不同。對(duì)于各不同寄存器的輸入沒有次序要求。校驗(yàn)階段將對(duì)輸入的內(nèi)容進(jìn)行檢查，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤將向使用者報(bào)告并要求重新輸入，如果無誤將會(huì)繼續(xù)下一步操作。序列階段將生成能夠直接輸入至Flash芯片接口的指令序列，如果當(dāng)前操作涉及數(shù)據(jù)寫入則直到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好即發(fā)出start啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，才能生成由命令代碼、操作地址、操作數(shù)組成的指令序列，如果不涉及數(shù)據(jù)則可由指令代碼和操作地址甚至只有指令代碼組成指令序列。接收階段將由Flash芯片根據(jù)請(qǐng)求輸出相應(yīng)的響應(yīng)，例如讀狀態(tài)寄存器操作的寄存器數(shù)值，讀操作的讀出數(shù)據(jù)等。

圖4 控制器工作流程

由于啟動(dòng)階段的操作流程比較特殊，所以在圖5單獨(dú)給出，下面對(duì)啟動(dòng)階段的工作流程做詳細(xì)介紹。系統(tǒng)上電啟動(dòng)或復(fù)位后，MCU 檢測到復(fù)位信號(hào)，自動(dòng)將操作地址設(shè)置為SPI Flash 中的起始地址，生成讀指令序列輸入至Flash芯片，讀出前4K 內(nèi)容，讀取完成后等待外部密鑰注入，以此密鑰運(yùn)行數(shù)據(jù)保護(hù)模塊進(jìn)行解密，解密完成后運(yùn)行完整性校驗(yàn)，期間任何過程未通過則輸出提示信息后關(guān)閉系統(tǒng)，反之，則運(yùn)行啟動(dòng)代碼。

4 性能參數(shù)

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，采用Verilog HDL 語言對(duì)本文設(shè)計(jì)的SPI Flash 控制器編程實(shí)現(xiàn)，SPI Flash 芯片選用Giga Device的GD25Q128B，利用Synopsys公司的VCS軟件進(jìn)行功能驗(yàn)證，包括數(shù)據(jù)加解密和系統(tǒng)啟動(dòng)在內(nèi)的所有功能均正確無誤，在50 MHz時(shí)鐘下，各主要操作消耗時(shí)間情況見表2，與相關(guān)設(shè)計(jì)相比具有較高性能［10］。并利用Design Compiler軟件在SMIC 0.18μm 工藝庫下進(jìn)行綜合，整個(gè)IP核的等效門數(shù)為9.78萬門。

圖5 系統(tǒng)啟動(dòng)工作流程

表2 主要操作時(shí)間消耗

在功能驗(yàn)證的基礎(chǔ)上搭建了硬件測試平臺(tái)，采用Altera公司的Stratix Ⅲ系列FPGA 芯片EP3SL150F1152C2N進(jìn)行了硬件驗(yàn)證，并利用Tektronix公司的TLA5202系列邏輯分析儀得到了Flash芯片接口處實(shí)際的信號(hào)波形圖，確認(rèn)了其功能的正確性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)安全高效存儲(chǔ)，可以較為容易地移植到其它系統(tǒng)中去，可以支持多種SPI Flash芯片，具有普遍適用性。

5 結(jié)束語

本文以SPI Flash控制器為研究對(duì)象，面向密碼SoC的應(yīng)用場景，采用二次解析的方法對(duì)其操作方式進(jìn)行優(yōu)化，嵌入Boot Supporter結(jié)構(gòu)和獨(dú)立的SHA－256和AES算法模塊同時(shí)保證了數(shù)據(jù)安全性和完整性，設(shè)計(jì)了一款可支持啟動(dòng)加載和安全存儲(chǔ)的SPI Flash控制器，解決了其寫入速度慢、操作繁雜、安全性不足等問題。通過VCS功能仿真和FPGA 板級(jí)測試驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的可用性，在未增加資源消耗的情況下提高了安全性和高效性，實(shí)現(xiàn)了SPI Flash的啟動(dòng)支持和安全存儲(chǔ)。本文所設(shè)計(jì)的控制器為數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)提供了有力支持，其設(shè)計(jì)思想、整體結(jié)構(gòu)和操作流程具有一定普遍適用性和參考價(jià)值。

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