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用單片機實現(xiàn)SRAM工藝FPGA的加密應(yīng)用
摘要：首先對采用SRAM工藝的FPGA的保密性和加密方法進行原理分析，然后提出一種實用的采用單片機產(chǎn)生長偽隨機碼實現(xiàn)加密的方法，并詳細介紹具體的電路和程序。關(guān)鍵詞：靜態(tài)隨機存儲器（SRAM） 現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA） 加密
在現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)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(yīng)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(shù)據(jù)流，進行克隆設(shè)計。因此，在關(guān)鍵、核心設(shè)備中，必須采用加密技術(shù)保護設(shè)計者的知識產(chǎn)權(quán)。
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(diào)試設(shè)計時要用，第二種和第三種在實際產(chǎn)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(chǎn)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(shù)據(jù)按照確定的時序?qū)懭隨RAM工藝的FPGA。因此，采用一定的電路對配置FPGA的數(shù)據(jù)引腳進行采樣，即可得到配置數(shù)據(jù)流信息。利用記錄下來的配置數(shù)據(jù)可對另一塊FPGA芯片進行配置，就實現(xiàn)了對FPGA內(nèi)部設(shè)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(shù)據(jù)是可以被復(fù)制的，因此單獨的一塊FPGA芯片是無法實現(xiàn)有效加密的。FPGA芯片供應(yīng)商對位數(shù)據(jù)流的定義是不公開的，因此無法通過外部的配置數(shù)據(jù)流信息推測內(nèi)部電路。也就是說，通過對FPGA配置引腳的數(shù)據(jù)進行采樣可得到配置信息。但也不能知道內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)。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(chǎn)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(shè)計進行加密。具體電路結(jié)構(gòu)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，F(xiàn)PGA內(nèi)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(nèi)的偽碼發(fā)生電路工作；同時，單片機產(chǎn)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，F(xiàn)PGA內(nèi)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(nèi)部分邏輯單元，沒有增加硬件成本。
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