(1)系統(tǒng)控制模塊。該模塊是整個(gè)安全SoC芯片的系統(tǒng)核心,在系統(tǒng)軟件的控制下,用于協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各個(gè)模塊的運(yùn)行。該模塊采用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的微控制器(MCU),完全兼容8052指令集,并針對密碼應(yīng)用和密碼服務(wù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)出了專用的密碼服務(wù)指令,從而大幅度提升了密碼服務(wù)時(shí)數(shù)據(jù)處理的效率。
　　(2)密碼服務(wù)模塊。該模塊用于向系統(tǒng)提供密碼服務(wù),由DES/TDES和RSA兩個(gè)密碼子模塊構(gòu)成。DES/TDES分組密碼模塊,提供分組密碼算法服務(wù),可用于高速數(shù)據(jù)處理;RSA公鑰密碼模塊,提供公鑰密碼算法服務(wù),可用于低速數(shù)據(jù)處理、數(shù)字簽名及身份認(rèn)證等服務(wù)?！　?BR>　　(3)功能輔助模塊。該模塊向系統(tǒng)提供密碼輔助功能,由真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器和16/8除法器兩部分組成。真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器向系統(tǒng)提供真隨機(jī)數(shù)服務(wù);16/8除法器用于在進(jìn)行隨機(jī)數(shù)素性判定時(shí)實(shí)現(xiàn)快速的16位/8位除法。
　　(4)存儲器控制模塊。該模塊用于控制各存儲器地址分配、數(shù)據(jù)選擇,由存儲器切換模塊和存儲器動態(tài)配置" title="動態(tài)配置">動態(tài)配置模塊兩部分構(gòu)成。利用存儲器切換模塊,通過裝載工具配置相應(yīng)的寄存器,對SoC芯片進(jìn)行操作系統(tǒng)升級更新;存儲器動態(tài)配置模塊,對系統(tǒng)中各存儲器進(jìn)行整合,通過配置相應(yīng)的控制寄存器,對指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的容量進(jìn)行動態(tài)配置。
　　(5)通信模塊。該模塊用于和外部進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。本設(shè)計(jì)中的外圍接口采用智能卡通用接口,接口模塊包括USB接口模塊和串行接口模塊。USB接口模塊支持USB1.1標(biāo)準(zhǔn), 通信速率為1.5Mbps, 支持HID類規(guī)范,支持控制傳輸和中斷傳輸;串行接口模塊采用異步半雙工模式,符合ISO/7816-3智能卡接口標(biāo)準(zhǔn)。
　　(6)系統(tǒng)總線。系統(tǒng)總線包括控制總線、地址總線及數(shù)據(jù)總線。為了防止芯片被破解或芯片內(nèi)的關(guān)鍵信息被竊密,系統(tǒng)總線模塊中引入了總線加密機(jī)制,即在存儲器與各系統(tǒng)模塊之間添加總線安全模塊,用于進(jìn)行總線數(shù)據(jù)的安全傳輸。
2 密碼服務(wù)模塊的設(shè)計(jì)
　　密碼服務(wù)模塊的設(shè)計(jì),特別是密碼服務(wù)模塊中各子模塊的接口設(shè)計(jì)一直是信息安全SoC芯片系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn),設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接關(guān)系到信息安全SoC芯片的整體性能,因此本文對其進(jìn)行重點(diǎn)描述。
2.1密碼服務(wù)模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　在信息安全SoC芯片系統(tǒng)中,為了滿足不同的密碼需求,會有多個(gè)密碼服務(wù)子模塊。但在實(shí)際應(yīng)用中,一般不會在同一時(shí)刻用到全部的密碼服務(wù)子模塊。在大多數(shù)的信息安全SoC芯片設(shè)計(jì)中,都會為每個(gè)模塊單獨(dú)配置控制寄存器和雙端口" title="雙端口">雙端口存儲器。這種方法雖然設(shè)計(jì)容易,實(shí)現(xiàn)方便,但會使所設(shè)計(jì)的SoC芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,各模塊間的連線繁多。這無疑增加了后端布局布線難度,降低了系統(tǒng)的整體性能,而且由于控制寄存器和存儲器資源有限,一旦芯片系統(tǒng)中所采用的密碼功能模塊較多,就會對系統(tǒng)中有限的資源造成較大的浪費(fèi)。
　　為了降低后端布局布線難度,提高系統(tǒng)性能,有效利用系統(tǒng)中的有限資源,在密碼服務(wù)模塊中加入IP橋模塊來解決以上問題。密碼服務(wù)模塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要,IP橋通過配置IP控制寄存器(IPC)選用所需的密碼服務(wù)子模塊,使之與系統(tǒng)掛接,達(dá)到有效整合系統(tǒng)中有限資源的目的。各密碼服務(wù)子模塊通過IP橋與控制模塊及存儲器連接;IP橋根據(jù)IPC狀態(tài)進(jìn)行配置,選擇所需的密碼子模塊,并將其與控制模塊及存儲器進(jìn)行整合;子模塊與控制模塊及存儲器之間的數(shù)據(jù)交互通過IP橋進(jìn)行調(diào)配;最后通過控制模塊啟動密碼服務(wù)子模塊,進(jìn)行相應(yīng)的密碼操作,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需的密碼服務(wù)功能。
2.2 IP橋設(shè)計(jì)
　　IP橋主要功能是根據(jù)IPC寄存器狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)動態(tài)配置,由控制組合邏輯模塊和數(shù)據(jù)配置邏輯模塊構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)如圖3所示?？刂平M合邏輯模塊根據(jù)IPC狀態(tài)輸出控制信號,控制數(shù)據(jù)配置邏輯模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)配置。數(shù)據(jù)配置可分為兩類,即對密碼服務(wù)子模塊的通路配置和對雙端口存儲器(Dual RAM)的通路配置。

　　(1)密碼服務(wù)子模塊通路配置是指IP橋?qū)CU與所選用的子模塊進(jìn)行整合,包括對其控制信號的配置和時(shí)鐘信號的分配?？刂菩盘柵渲檬侵父鶕?jù)IPC狀態(tài)將MCU中用于控制密碼模塊的控制寄存器與相應(yīng)的子模塊控制單元進(jìn)行整合,以便MCU對子模塊操作進(jìn)行控制。密碼服務(wù)子模塊的時(shí)鐘信號分配是指只有當(dāng)所需的子模塊被IP橋選用時(shí),才會分配時(shí)鐘信號,否則時(shí)鐘信號被屏蔽,處于休眠狀態(tài)。
　　(2)雙端口存儲器通路配置是指將所選用的密碼子模塊與雙端口存儲器進(jìn)行時(shí)鐘匹配,并進(jìn)行控制總線、地址總線、數(shù)據(jù)總線的動態(tài)配置。當(dāng)整個(gè)密碼服務(wù)模塊未運(yùn)行時(shí),用于存儲器與密碼服務(wù)模塊匹配的時(shí)鐘信號被屏蔽。
2.3 密碼服務(wù)子模塊接口設(shè)計(jì)
　　在本設(shè)計(jì)中共有兩個(gè)子模塊:RSA公鑰密碼子模塊和DES/TDES分組密碼子模塊。這兩個(gè)子模塊都采用同樣的接口設(shè)計(jì),具體的接口設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

　　圖中實(shí)線信號為直連信號,虛線信號為通過IP橋配置的連通信號,密碼服務(wù)子模塊的各控制信號均由MCU通過IP橋控制產(chǎn)生,MCU可通過密碼指令控制子模塊。在子模塊完成運(yùn)算并將數(shù)據(jù)寫入Dual RAM后,就輸出完成信號,將狀態(tài)寄存器中相應(yīng)位置位,MCU通過查詢此狀態(tài)位就能判斷模塊是否完成運(yùn)算。與密碼服務(wù)子模塊相關(guān)的Dual RAM可在兩個(gè)不同時(shí)鐘下,根據(jù)兩條地址線分別對存儲器單元進(jìn)行讀寫操作。在本設(shè)計(jì)中分別由密碼服務(wù)子模塊和MCU對雙端口存儲器進(jìn)行讀寫操作。密碼服務(wù)子模塊在初始運(yùn)行階段,從雙端口存儲器中讀取需運(yùn)算的數(shù)據(jù),完成運(yùn)算后再將數(shù)據(jù)寫入雙端口存儲器中,供MCU使用操作。
　　密碼服務(wù)子模塊采用此種接口設(shè)計(jì),可有效解決密碼IP核與系統(tǒng)間的速度差異問題。IP核可在高速時(shí)鐘下運(yùn)行,系統(tǒng)可在低速時(shí)鐘下運(yùn)行,而且由于雙端口存儲器的兩個(gè)數(shù)據(jù)端口可采用不同的數(shù)據(jù)位寬,也就解決了密碼服務(wù)子模塊與控制模塊之間的數(shù)據(jù)總線寬度不同的問題。兩個(gè)密碼服務(wù)子模塊都采用同樣的接口設(shè)計(jì),使得所設(shè)計(jì)的IP核具有很強(qiáng)的通用性,在無需修改接口設(shè)計(jì)情況下,就可應(yīng)用于其他的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。子模塊的后期測試也可采用同樣的測試平臺,使得測試簡單易行。
2.4密碼服務(wù)模塊運(yùn)行流程
　　加入IP橋設(shè)計(jì)后,在調(diào)用密碼服務(wù)模塊之前需要對IPC進(jìn)行配置,將密碼子模塊通過IP橋與系統(tǒng)模塊連接。密碼服務(wù)模塊運(yùn)行流程如圖5所示。