具有分區(qū)加密功能的SD卡固件設計

劉麗麗　張雪

摘要摘要：設計一種基于SD控制器S281的固件，具有外部認證、分區(qū)加密功能。利用控制器中內(nèi)置3DES和AES加密算法，可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的硬件加密，具有更高的安全性。介紹控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及固件實現(xiàn)分區(qū)加密的原理，并在固件上實現(xiàn)閃存的均衡算法以及壞塊管理，保證閃存的合理使用。經(jīng)過實驗測試，該分區(qū)加密SD卡在可靠性測試、讀寫速率測試和功能實現(xiàn)測試上均滿足要求。

關鍵詞關鍵詞：SD控制器；分區(qū)加密；SD固件設計；NAND Flash

DOIDOI：10.11907/rjdk.171096

中圖分類號：TP309.7

文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2017）005016803

0引言

SD卡主要由控制器和閃存芯片組成，其具有體積小、數(shù)據(jù)傳輸速率快、可熱插拔等優(yōu)良特性，被廣泛應用于便攜式設備如電子詞典、移動電話、數(shù)碼相機、汽車導航系統(tǒng)[1]。計算機技術的快速發(fā)展使得信息的傳遞越來越迅速、便捷，同時人們對信息存儲介質(zhì)的安全性要求也越來越高，普通SD卡已不能滿足人們對于安全存儲的需求。本文設計的SD卡創(chuàng)新性地將SD的存儲空間劃分為兩個分區(qū)，分別為普通區(qū)和保密區(qū)，同一時間只顯示一個分區(qū)。上電完成后默認顯示普通區(qū)，若需要切換至保密區(qū)則需要通過專用上層軟件輸入密碼完成外部認證。外部認證采用3DES加密算法，數(shù)據(jù)存儲采用目前公認的AES256加密算法[2]。這樣不僅滿足了普通數(shù)據(jù)存儲的需求，同時滿足機密數(shù)據(jù)保護需求。

1硬件架構(gòu)

1.1總體框架

SD卡主要由存儲單元和控制單元組成。本文存儲介質(zhì)采用Micron 4GB NAND Flash存儲芯片MT29F32G08CBACA，主控采用華瀾微自主研發(fā)的符合SD2.0標準的設備控制器S281。本設計總體硬件架構(gòu)圖如圖1所示。

1.2控制器芯片S281簡介

S281固件設計具有一定復雜度，深入理解控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有助于設計出更好的固件。S281擁有一個32bit的嵌入式精簡CPU執(zhí)行算術及邏輯運算，它從ROM和SRAM中獲取指令，解碼并執(zhí)行，同時管理CPU及閃存接口的控制和狀態(tài)信號。CPU控制SD接口、NAND Flash接口、FIFO的總線操作，不同模塊間通過不同總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)路由。同時S281控制器內(nèi)置隨機數(shù)發(fā)生器和硬件加密模塊，為后續(xù)固件設計提供便利。

2固件設計

SD卡的固件主要是輔助或控制硬件完成上電初始化及數(shù)據(jù)傳輸[3]，而分區(qū)加密的SD卡還要在固件上實現(xiàn)分區(qū)切換以及全盤數(shù)據(jù)加密。由于Flash在使用過程中易產(chǎn)生壞塊，難以管理，且有擦除次數(shù)的限制。本文在固件設計中通過邏輯表動態(tài)建立壞塊表，完成Flash的壞塊管理，根據(jù)物理擦除次數(shù)選擇空塊實現(xiàn)Flash的均衡算法，延長閃存的使用周期，實現(xiàn)閃存的合理化使用。

2.1讀操作固件設計

SD協(xié)議中讀命令包括CMD17和CMD18[4]，CMD17讀取單個數(shù)據(jù)塊到SD接口，而CMD18在指控制器未接收到CMD12（停止命令）前讀取多個數(shù)據(jù)塊。當S281接收到CMD17時，首先調(diào)用地址解析函數(shù)將命令參數(shù)中的地址轉(zhuǎn)換成邏輯地址，分別用cluster.logic、block.logic、page.logic代表邏輯簇地址、邏輯塊地址和邏輯頁地址。再調(diào)用地址轉(zhuǎn)換函數(shù)建立映射表，通過查找映射表將邏輯地址轉(zhuǎn)換成物理地址，其中映射表包括簇映射表、塊映射表和頁映射表。根據(jù)頁映射表中邏輯頁所對應的物理頁flag（標志位）判斷頁中是否含有有效數(shù)據(jù)，即物理頁有沒有被寫過。若頁中不存在數(shù)據(jù)，根據(jù)NAND Flash的特性，即頁內(nèi)數(shù)據(jù)全部為0xFF，則在FIFO中需要將數(shù)據(jù)傳送到SD接口的內(nèi)存空間，全部用0xFF填充。如flag表明此頁已被編輯過，即頁中存在有效數(shù)據(jù)則發(fā)送Flash的讀命令（00～30h）讀取頁中的數(shù)據(jù)，并通過DMA總線將數(shù)據(jù)傳送到FIFO中，此時數(shù)據(jù)為采用AES256加密的密文，需要調(diào)用加解密函數(shù)解密FIFO中的數(shù)據(jù)。最后將FIFO中的數(shù)據(jù)通過主機數(shù)據(jù)總線發(fā)到SD接口完成單塊讀操作。

當S281接收到CMD18命令后，其操作與CMD17基本一致，只是在沒有收到CMD12之前，CMD18固件內(nèi)部頁內(nèi)邏輯地址會自動增加，并傳送數(shù)據(jù)到SD接口。若頁內(nèi)邏輯地址增加導致需要切換邏輯塊或邏輯簇，則需要重新調(diào)用地址轉(zhuǎn)換函數(shù)建立映射表。

2.2寫操作固件設計

由于Flash的物理頁只能編程一次，不能對物理頁多次編寫[5]，即寫入的數(shù)據(jù)必須是物理頁大小的整數(shù)倍，所以寫操作的固件設計更加復雜。當邏輯頁中的數(shù)據(jù)有部分更新時就需要將新舊數(shù)據(jù)一起寫入物理頁中，這就需要在固件上實現(xiàn)Flash的PreCopy和PostCopy兩個操作。當寫命令的起始邏輯地址不為0，而是頁的中間地址時，PreCopy在寫操作過程中，固件需要將物理頁前面的數(shù)據(jù)從Flash中讀取到FIFO，與新數(shù)據(jù)組合成一頁寫入一個新的物理頁中。而PostCopy就是當終止的邏輯地址沒有到頁的最后512字節(jié)時，就需要將物理頁后面的數(shù)據(jù)從Flash中讀取到FIFO，與新數(shù)據(jù)組合成一頁寫入到一個新的物理頁中，PreCopy和PostCopy可能同時發(fā)生。

SD協(xié)議中寫命令包括CMD24和CMD25，分別為單個數(shù)據(jù)塊寫和多個數(shù)據(jù)塊寫。當S281接收到CMD24時，硬件會自動接收第一個512字節(jié)的數(shù)據(jù)塊，并存放到FIFO中。同讀命令一樣，首先調(diào)用地址解析函數(shù)將命令參數(shù)中的地址轉(zhuǎn)換成邏輯地址，再調(diào)用數(shù)據(jù)加解密函數(shù)使用存儲在Flash中的密碼將接收到的數(shù)據(jù)塊采用AES256加密算法加密，最后調(diào)用地址轉(zhuǎn)換函數(shù)建立映射表，通過映射表實現(xiàn)地址轉(zhuǎn)換。根據(jù)頁映射表中邏輯頁所對應物理頁的flag判斷頁中是否含有有效數(shù)據(jù)。若物理頁已被寫過，則根據(jù)邏輯頁內(nèi)地址判斷是否需要進行PreCopy操作，若需要進行PreCopy操作則將物理頁內(nèi)地址前面的數(shù)據(jù)讀取到FIFO的相應存儲空間中。若頁內(nèi)為空，則PreCopy操作中的數(shù)據(jù)全部用0xFF填充，并將填充的數(shù)據(jù)采用AES256算法加密。由于硬件已自動接收512字節(jié)的數(shù)據(jù)到FIFO中，此時需要將邏輯頁內(nèi)地址自增一個數(shù)據(jù)塊的大小，即512字節(jié)。根據(jù)此時邏輯頁內(nèi)地址判斷是否需要進行PostCopy操作，其操作方式和PreCopy相同。最后將FIFO中的一整頁數(shù)據(jù)通過DMA操作寫入到一個無數(shù)據(jù)的空頁中。完成寫命令后更新頁映射表，將此邏輯頁對應的物理頁更新為最新操作的物理頁。由于每個簇中都需要預留幾個空塊以備后續(xù)使用，所以完成寫操作后還需要根據(jù)簇映射表判斷簇中所含空塊數(shù)量是否滿足要求，若不滿足則需要采用merge操作，擦除某些塊中的數(shù)據(jù)，并在塊映射表中將此塊標記為空塊。由于一個邏輯塊可能對應兩個或者多個物理塊，分別為source.block和target.block，target.block中存儲的數(shù)據(jù)是最新的，source.block中存儲的數(shù)據(jù)是過時的。Merge操作就是將source.block和target.block中的有效數(shù)據(jù)合并到一個新的物理塊中，并將source.block和target.block中的數(shù)據(jù)擦除，這樣就可以騰出一個空的物理塊。寫操作在選擇空塊寫入數(shù)據(jù)時，會根據(jù)空塊的flag選擇擦除次數(shù)較少的空塊作為目標空塊，實現(xiàn)均衡算法，保證Flash的合理使用。寫操作簡化框架如圖2所示。

CMD25的基本流程和CMD24一樣，只是在沒有收到CMD12前，S281一直執(zhí)行寫數(shù)據(jù)塊的操作，邏輯頁內(nèi)地址也會一直遞增。當邏輯地址增加后需要切換邏輯塊或邏輯簇時，就需要重新調(diào)用地址轉(zhuǎn)換函數(shù)建立映射表。

2.3分區(qū)切換固件設計

分區(qū)加密SD卡的固件設計主要集中在兩個方面：一是對用戶的訪問限制即外部認證，防止非法用戶；二是對SD卡中的數(shù)據(jù)加密，防止SD存儲卡被暴力破解讀取數(shù)據(jù)[6]。同時由于對不同數(shù)據(jù)安全的要求不同，將SD存儲卡的存儲空間分為兩個分區(qū)，分別為普通區(qū)和保密區(qū)，普通區(qū)可見，保密區(qū)隱藏。由于本設計中保密區(qū)和普通區(qū)分別為2G，同一時間只有一個分區(qū)可見，固件上采用相對地址跳轉(zhuǎn)的方式實現(xiàn)分區(qū)。用戶通過上層軟件輸入密碼并發(fā)出外部認證命令，控制器S281接收到命令后驅(qū)動內(nèi)置的隨機數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生隨機數(shù)，上層軟件獲取來自S281的隨機數(shù)，并采用3DES加密[7]。與此同時，S281采用NAND Flash中存儲的密碼對隨機數(shù)采用同樣的加密算法加密，S281比對兩次加密的結(jié)果，相同則說明用戶密碼正確，用戶獲取切換分區(qū)的權限，否則認證失敗。外部認證成功后，用戶可以通過上層軟件發(fā)出切換至保密區(qū)的命令，S281接收到切換命令后，將邏輯地址跳轉(zhuǎn)至保密區(qū)的地址，保密區(qū)的數(shù)據(jù)對用戶可見，用戶便可以對保密區(qū)進行讀寫操作。SD卡全盤數(shù)據(jù)均采用AES256加密算法加密[8]，用戶讀寫SD卡時，固件自動加解密數(shù)據(jù)，下電或切換至普通區(qū)后需要重新認證才能切換至保密區(qū)[9]。具體流程如圖3所示。

為實現(xiàn)外部認證和分區(qū)切換，采用動態(tài)接口文件的方式，即CPU通過特殊的標識碼過濾命令包。用戶通過上層軟件發(fā)送外部認證或分區(qū)切換命令時，實際上是通過寫命令CMD24向FIFO中傳入帶有特殊標識碼的512字節(jié)

數(shù)據(jù)包，特殊標識碼由標識碼和命令字組成。標識碼代表發(fā)送的命令為特殊的命令標識，命令字代表特殊命令的類型如外部認證、切換分區(qū)等。上層軟件發(fā)送帶有標識碼和命令字的數(shù)據(jù)包到FIFO后，S281識別FIFO中的數(shù)據(jù)包為特殊的命令包后，根據(jù)命令字判斷需要執(zhí)行的操作，根據(jù)命令字固件上實現(xiàn)外部認證或分區(qū)切換的操作。并將操作后的響應存儲在FIFO中，上層軟件通過發(fā)送CMD17讀取FIFO中的響應，判斷操作是否成功完成，并反饋到用戶。

3結(jié)語

本文介紹了一種SD卡的固件設計，此固件基于國內(nèi)自主研發(fā)的SD控制器S281。相較于一般的SD卡，此固件采用S281內(nèi)置的3DES和AES256加密算法以實現(xiàn)存儲盤外部認證和分區(qū)加密，并通過實驗測試驗證了固件可以正確無誤運行。同時此設計方案采用動態(tài)接口文件的方式，具有很好的可擴展性和可移植性，后續(xù)可以增加其他功能，如修改加解密密碼、加密數(shù)據(jù)流等。經(jīng)過多次實驗驗證，此固件可以正確穩(wěn)定工作，具有很好的應用價值和發(fā)展前景。

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責任編輯（責任編輯：陳福時）