摘  要:  基于FPGA的可加密USB存儲(chǔ)設(shè)備的設(shè)計(jì)過(guò)程，介紹了FPGA芯片EP1C3T100、USB接口芯片AU6983等各個(gè)模塊的功能及硬件電路設(shè)計(jì)。對(duì)AES加密算法作了詳細(xì)說(shuō)明，并對(duì)硬件FPGA實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化。該設(shè)備由FPGA芯片通過(guò)硬件來(lái)完成數(shù)據(jù)加密過(guò)程，由高速傳輸總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。具有實(shí)時(shí)性好、安全性高等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞: FPGA； USB接口； AES算法； 數(shù)據(jù)加密

    USB移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備，由于其容量大、使用方便等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用。但隨著電子資料和電子信息的不斷增多，USB移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備的使用可能會(huì)造成存儲(chǔ)的重要信息或私密文件被竊取，使個(gè)人資料的存儲(chǔ)變得越來(lái)越不安全，導(dǎo)致頻繁出現(xiàn)無(wú)法挽回的損失和不堪設(shè)想的后果。而加密 USB存儲(chǔ)設(shè)備的出現(xiàn)則可以有效防止個(gè)人或企業(yè)數(shù)據(jù)經(jīng)由U盤(pán)泄露。
    雖然現(xiàn)在很多廠商推出的各種U盤(pán)產(chǎn)品均提供了加密功能以提高數(shù)據(jù)的安全性，但很多均停留于軟件加密層面，不僅需要另外安裝軟件，而且數(shù)據(jù)安全性也打了折扣，在某程度上仍不能防范數(shù)據(jù)被盜竊。本文選擇FPGA芯片對(duì)U盤(pán)進(jìn)行硬件加密[1]。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.1 系統(tǒng)組成
   系統(tǒng)主要由兩部分組成:PC機(jī)與USB存儲(chǔ)設(shè)備。USB存儲(chǔ)設(shè)備由USB接口芯片、FPGA芯片、Flash芯片、電源電路組成。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)工作原理
    基于FPGA的加密USB存儲(chǔ)設(shè)備,在Flash與USB接口芯片之間加1個(gè)FPGA芯片用于各種加密算法的實(shí)現(xiàn),通過(guò)FPGA將存入Flash中的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密、解密。將主設(shè)備上需要加密的數(shù)據(jù)通過(guò)USB接口發(fā)送到FPGA加密芯片，加密芯片根據(jù)控制信號(hào)的信息分析出應(yīng)該采用何種加密算法，加密數(shù)據(jù)產(chǎn)生后，給出標(biāo)志信號(hào)，然后輸出加密好的數(shù)據(jù)。
    FPGA芯片是系統(tǒng)的核心，主要實(shí)現(xiàn)3個(gè)主要功能：
    (1)用于實(shí)現(xiàn)加密過(guò)程中的Flash讀寫(xiě)時(shí)序控制，包括輸入的數(shù)據(jù)加密、加密算法的模式選擇等。
    (2)用于加密算法的實(shí)現(xiàn)，需要加密的數(shù)據(jù)通過(guò)USB接口發(fā)送到FPGA芯片，F(xiàn)PGA芯片根據(jù)控制信號(hào)判讀是否需要對(duì)數(shù)據(jù)加密，如果需要加密則運(yùn)行加密算法，加密數(shù)據(jù)產(chǎn)生后，輸出加密好的數(shù)據(jù)，并且輸出標(biāo)志信號(hào)。
    (3)實(shí)現(xiàn)與USB接口芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。FPGA和USB之間的通信通過(guò)8 bit數(shù)據(jù)總線加上若干控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)，只要FPGA產(chǎn)生符合USB輸入/輸出時(shí)序的脈沖，即可實(shí)現(xiàn)兩者之間的通信[2-3]。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    設(shè)備的核心部分是FPGA芯片。加密、解密功能通過(guò)FPGA設(shè)計(jì)工具中硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行描述，在集成軟件環(huán)境下進(jìn)行編譯、調(diào)試及綜合，使用專用下載電纜將程序代碼下載存儲(chǔ)在FPGA芯片中，一旦USB設(shè)備與PC機(jī)相連，F(xiàn)PGA芯片中的算法程序會(huì)對(duì)寫(xiě)入Flash芯片中的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密或解密。
2.1  FPGA接口設(shè)計(jì)
    本設(shè)計(jì)中選用的FPGA芯片為EP1C3T100，其中為100個(gè)管腳封裝，I/O的電源為3.3 V，內(nèi)核電壓為1.5 V，只有1個(gè)鎖相環(huán)(PLL)，2個(gè)專用全局時(shí)鐘輸入管腳CLK0、CLK1，5個(gè)雙重用途時(shí)鐘管腳DPCLK。所有管腳中有一些是專用配置管腳。其中，nCSO、DATA0、DCLK、ASDI是與配置芯片EPCS4相連的；TCK、TDO、TMS、TDI等管腳則與JTAG相連。
    FPGA 是SRAM型的可編程邏輯器件(不是ROM型可編程器件CPLD)，通過(guò)JTAG就可以直接把代碼固化在片子里面。FPGA下載到片子中的代碼存放在RAM里，所以斷電后這些代碼即刻消失。由于可用來(lái)調(diào)試FPGA，所以能夠在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)或系統(tǒng)運(yùn)行之前的任意時(shí)刻內(nèi)，為所有的輸入、輸出管腳更新I/O標(biāo)準(zhǔn)。在調(diào)試階段采用JTAG模式?；贘TAG下載模式的易失性，F(xiàn)PGA就需要非易失性存儲(chǔ)器用來(lái)存放代碼，每次上電后把代碼從配置芯片讀入FPGA 然后運(yùn)行。本設(shè)計(jì)選用ALTERA公司配套的AS模式的配置存儲(chǔ)器EPCS4，成本比較低，并且很容易配置[4]。
2.2  Flash芯片接口設(shè)計(jì)
    本設(shè)計(jì)選用三星公司的NAND Flash芯片K9G8G08U0M，容量為1 GB。NAND Flash 的數(shù)據(jù)以bit 的方式保存在存儲(chǔ)單元，每頁(yè)2 KB+64 B，每128頁(yè)形成1個(gè)塊，1塊就是256 KB+8 KB。
2.3  USB接口設(shè)計(jì)
    本設(shè)計(jì)中USB接口芯片采用安國(guó)公司的AU6983，其芯片質(zhì)量和可靠性較高，該芯片最多可以接2片F(xiàn)lash芯片。接口電路如圖2所示。

2.4  電源電路設(shè)計(jì)
    USB接口提供5 V電源，F(xiàn)PGA的I/O電源是3.3 V，內(nèi)核的電壓是1.5 V。使用2個(gè)LDO，1個(gè)將5 V轉(zhuǎn)到3.3 V；另1個(gè)將3.3 V轉(zhuǎn)為1.5 V，加上一些濾波電容，板上的其他外設(shè)電源均是3.3 V。另外有3.3 V的電源指示燈，表示電源是否正常。另有防反插二極管，防止電源反插，對(duì)器件造成損壞。
    LT1086能更好地提供高效率1.5 A電流，其所有的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)將輸入、輸出端之間的壓降控制在1 V左右,起到穩(wěn)壓作用。LT1587-1.5是1個(gè)低壓差三端穩(wěn)壓器,有固定的1.5 V的輸出電壓和3 A輸出電流的性能。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    各種功能通過(guò)在FPGA設(shè)計(jì)工具中用Verilog HDL語(yǔ)言進(jìn)行描述，在集成軟件環(huán)境Quartus II中進(jìn)行編譯、調(diào)試及綜合，使用專用下載電纜將程序代碼下載到FPGA芯片中。在系統(tǒng)工作前，先檢查設(shè)備是否連接好之后，開(kāi)始FPGA芯片及配置芯片的初始化。根據(jù)用戶需要進(jìn)行讀操作或?qū)懖僮?，如果檢測(cè)到寫(xiě)信號(hào)線有效時(shí)，則還需要判斷此時(shí)寫(xiě)數(shù)據(jù)還是寫(xiě)命令，如果是寫(xiě)數(shù)據(jù)，則啟動(dòng)加密功能，并存入Flash；如果是寫(xiě)命令，則不能啟動(dòng)加密功能。如果檢測(cè)到讀信號(hào)線有效時(shí)，也需要判斷此時(shí)是讀數(shù)據(jù)還是讀命令或讀Flash的ID，如果是讀數(shù)據(jù)，即啟動(dòng)解密功能，并從Flash中讀出數(shù)據(jù)；而是讀命令，則不能啟動(dòng)解密功能。系統(tǒng)軟件流程圖如圖3所示。

    對(duì)于加密算法的選擇,目前常見(jiàn)的加密算法主要有DES和AES 2種。DES出現(xiàn)得比較早，資源豐富、算法成熟。但是AES作為新一代的數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)，其安全性、效率明顯高于DES，同時(shí)由于AES算法的簡(jiǎn)潔性，對(duì)內(nèi)存的需求非常低，使得它的實(shí)現(xiàn)更為容易。綜合各方面考慮，在本設(shè)計(jì)方案中采用AES算法[5-7]。
4  調(diào)試與仿真
    本文中的設(shè)計(jì)使用Verilog HDL語(yǔ)言進(jìn)行功能仿真和功能驗(yàn)證，利用Quartus II可以對(duì)源程序進(jìn)行驗(yàn)證和綜合。其加密程序的仿真結(jié)果如圖4所示。圖中，I/O1是輸入的數(shù)據(jù)，I/O2是經(jīng)過(guò)加密后輸出的數(shù)據(jù)。

    本文介紹了一種具有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)自動(dòng)加密的USB存儲(chǔ)設(shè)備設(shè)計(jì)過(guò)程，開(kāi)創(chuàng)了USB安全通信的新領(lǐng)域。本系統(tǒng)以大規(guī)?？删幊踢壿婩PGA為平臺(tái)，用Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加密，由于加密算法中大量使用了復(fù)雜的按位運(yùn)算，而通常這類運(yùn)算不適合在通用處理器上運(yùn)行，但在本系統(tǒng)中使用的FPGA芯片能夠進(jìn)行大量邏輯運(yùn)算，非常適合作為加密算法的硬件載體。用硬件實(shí)現(xiàn)加密算法，并且封裝到芯片中，不易被外部攻擊者讀取或更改，有較高的物理安全性。
    安全性、可靠性相對(duì)較高的USB存儲(chǔ)設(shè)備將會(huì)對(duì)金融、通信等領(lǐng)域提供很大的幫助。因此，基于FPGA的硬件加密是極具研究意義的，它能夠提高U盤(pán)的安全性、可靠性，同時(shí)也不會(huì)影響U盤(pán)的讀寫(xiě)速度。
參考文獻(xiàn)
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