一种新颖的代码保护系统的设计与FPGA实现_毛文娟

计算摘要
后续明文 长度
伪随机码 伪随机码 伪随机码
表3
0x28 0x26 0x27 0x22
搞要验证
伪随机码 伪随机码 伪随机码 伪随机码
52
《电视技术》 第 36 eoE．cn
器件与应用 PARTS ＆ APPLICATIONS
Novel Design of Code Protection System and FPGA Implementation
MAO Wenjuan， YU Zhuzheng
（ Shanghai University of Engineering Science， Shanghai 200437 ， China）
表4
0x11 0x22 0x33
搞要验证正确
0x55 0x66 0x77 0x88
0x44
4
结束语
本文提出的主流存储器加密存储方案， 经过仿真和
表5
0x00 0x01 0x02
搞要验证错误
0x04 0x05 0x06 0x07
0x03
FPGA 验证， 功能正确， 能够很好地保护嵌入式软件代码， 极大地提高了嵌入式系统的防破解能力以及嵌入式软件 的安全性和适用性。该安全芯片已成功运用在立体声蓝 牙耳机、 机顶盒等产品中。如果该方案能够在将来进行量 必将以其体积小、 使用方便、 安全可靠等特点在嵌入式 产， 系统中得到广泛应用 参考文献：
ARM 等） 完 嵌入式系统是指采用微处理器（ 单片机、 且不需 成特殊的功能。同时其采用完全独立的操作系统， 要大量的外围器件， 因此在功能、 可靠性、 成本、 体积、 功耗 上有着巨大优势， 已经成为电子信息产业中最具增长力的 一个分支， 在无线通信、 网络传输和应用、 科学研究、 图像 液晶电视等与人们日常生活息息相关的领 处理以及手机、 域中得到了广泛应用。 在 2011 年中国互联网大会上， ARM 中国区总裁吴雄昂透露， ARM 架构芯片在 2010 年 全球的出货量已经达到 12 亿， 占到智能手机 90% 以上， 可见嵌入式系统迅猛的发展和巨大的潜力
基金项目： 上海市优青资助项目（ gjd09042）
1
代码保护系统构成
2 整个系统结构如图 1 所示。I C / SPI 模块用来接收传
输来自 CPU 的数据； 收发控制 / 指令译码模块用来译码接 收到的数据， 并产生相应的操作命令； 为了保证数据的正确 CRC 校验模块对 I2 C / SPI 接收数据进行有效性确认， 性， 为 了使安全芯片有更广泛的适用性， 用户可以通过外部端口
图2
内部状态机
图3
系统验证框图
1） 状态机检测到来自 I2 C / SPI 总线的起始信号后， 如果用户选择 CRC8 校验， 将连续接收 9 byte 的数据， 其 中最后 1 byte 数 据 为 CRC8 的 校 验 位； 如 果 用 户 选 择 CRC16 校验， 将连续接收 10 byte 的数据， 其中最后 2 byte 数据为 CRC16 的校验位。 2） 如果 CRC 校验通过， 则启动 TDES 解密， 由于从总线 因此 DMA 方式在设计中 上的接收数据是直接写入 FIFO 中， 被应用： FIFO 中的数据被直接搬入 TDES 中进行解密， 完成后 再被写回 FIFO 中， 通过这种方式， 大大节省了解密的时间。 3） 解密后状态机对命令进行分析， 如果是非法命令， 那么状态机将执行类似步骤 1） 和步骤 2） 中的动作。根据
［ 1 －3 ］
用。硬件加密在产品设计上嵌入一种特殊的安全芯片， 应用软件通过和安全芯片通信来控制程序的流程， 从而 达到保护整个系统的目的。 由于系统将大部分工作放 在安全芯片内部， 不影响系统的整体性能， 而且对密钥 的管理更加隐蔽， 所以更适合于嵌入式软件的保护。但 开发周期相对较长。依 专用加密芯片的开发成本较高， 据 FPGA 的可编程特点， 其通用性强于专用加密芯片， 只需修改程序， 即可实现各种加密算法， 同时缩短开发 周期， 节省开发成本。 本文提出一种针对主流存储器的加密存储方案， 采 用 TDES 加密算法， 使用 FPGA 实现。该系统完全独立于 原嵌入式系统， 因此它不改变嵌入式软件的功能、 结构， 密 无须功能性更改硬件电路， 可以实 文与明文数据量相同， 现全方位的软件保护， 防止软件被抄袭、 篡改， 大大延长了 产品的生命周期。
2 选择 CRC8 或者 CRC16 以及 I C 或者 SPI 传输协议。
《电视技术》 投稿网址 http： www．VideoE．cn | 第 36 卷第 11 期（ 总第 386 期）
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器件与应用 PARTS ＆ APPLICATIONS 计算摘要中的后续明文长度， 接收相应的数据； 或者接收 长度为 24 byte 的 Key； 或者接收 8 byte 的摘要。 4） 解密结束后， 如果是计算摘要命令， 那么状态机将 进行数据的加密并且 对 TDES 和 DMA 进行相应的配置， 将计算得出的摘要放入内部寄存器中； 如果是重写 Key 命 则状态机将接收到的 24 byte 的 Key 写入相应的 TDES 令， 内部寄存器中； 如果是摘要验证命令， 则状态机将接收的 然后将相应的结 摘要和芯片内部运算后的摘要进行比较，
图1 代码保护系统结构框图
果写入 FIFO 中， 再进行数据的加密并通过总线接口， 将数 据返回给 CPU。
内部状态机如图 2 所示， 它对接收到的数据进行命令 CRC 校验分析、 命令解析等一系列运算。 有效性分析、
2
系统验证
用户首先将需要被保护的代码生成摘要（ Digest ） ， 此
程序执行 段摘要码会放入代码区的由用户指定的位置， 时， 将需要保护的代码首先分段发送给安全芯片， 发送完 毕后再发送摘要码。安全芯片通过计算反馈给 CPU 认证 结果， 如果被保护的代码被修改， 则认证无法通过， 代码验 如图 3 所示。 证失败，
【Abstract】An encryption system based on high － speed TDES is proposed in order to resolve the problem that software code of embedded system is easily stolen． The system is made up of two parts： pre － encryption software running on the PC and security chip． The system can prevent the software programs of embedded computer from stealing and modifying，and can protect effectively the software code of embedded system in Flash memory． 【Key words】Embedded； Flash； TDES
。
护芯片满足目前主流需求。
2 由表 6 和图 4 ～ 5 可知， 安全芯片通过 I C 接收的数
据， 经过内部 TDES 解密后， 明文和用户的完全一致。
表6
类型 明文 密匙 1 密匙 2 密匙 3
密匙与明文
数据 0x08060702_f1faeb0e 0x01234567_89abcdef 0x23456789_abcdef01 0x456789ab_cdef0123
［ 4 －6 ］
3
实验结果与分析
本文设计的软件代码安全保护芯片， 使用 Verilog 语言
进行编程， 并进行了功能验证， 使用 Quartus II 软件进行综 合及布局布线。整个系统的工作频率在 4 ～ 72 MHz 之间，
2 由于标准 I C / SPI 工作频率仅仅为 400 kHz， 所以该安全保
2． 1
系统命令 为了使保护系统有更广泛的通用性， 用户可以通过
重新写 Key 的特殊指令， 改变安全芯片内部的 TDES 的 Key。其他握手协议命令如表 1 ～ 5 所示。
表1
0x08 0x06 0x07 0x02
重要 Key
伪随机码 伪随机码 伪随机码 伪随机码
表2
0x18 0x16 0x17 0x12
［ 1］ SAPUTRA H， CHEN G， BROOKS R R． Code protection for resource － ． Sigplan Notices， 2004 ， 39 （ 7 ） ： 240 constrained embedded devices［J］ －248． ［ 2］ 黄君凯， ． 电子技术应 吴延军． 嵌入式计算机加密存储系统研究［J］ 2007 （ 10 ） ： 138－140． 用， ［ 3］ 胡向东， M］ ． 北京： 电子工业出版社， 2005． 魏琴芳． 应用密码学教程［ ［ 4］ 颜重光． 具有保密功能的 MCU + FPGA 片上系统［ J］ ． 电子设计应用， 2004 （ 8 ） ： 110－111． ［ 5］ 朱琦． 信息安全： 应用程序代码保护［ C］/ / 中国造船工程学会 2008 ： 中 国 造 船 工 程 学 会， 2008 ： 年 MIS / S＆A 学 术 交 流 会． ［S． l． ］ 141－143． ［ 6］ 李骞， J］ ． 电子 汪学刚， 李汉钊． 基于 3－DES 算法的 FPGA 加密应用［ 2008 （ 1 ） ： 132－134． 技术应用，
? 作者简介： 毛文娟（ 1977 － ） ， 女， 讲师， 硕士， 主要研究方向为通信与信息系统。 责任编辑： 时 雯 收稿日期： 2011－12－29

（ 上接第 50 页） 的压力。在速率匹配模块中， 提出一种新的处理方法， 即将存储地址交织， 节省了本应查表的时间， 这种思路 在今后类似的应用场合中也具有一定的参考价值。 参考文献：