基于單片機(jī)SRAM工藝的FPGA加密應(yīng)用

4　FPGA內(nèi)的偽隨機(jī)碼產(chǎn)生電路

PNMA_PRODUCER模塊和來(lái)產(chǎn)生偽隨機(jī)碼 ，采用移位寄存器實(shí)現(xiàn)，具體電路見(jiàn)圖5。LPM_SHIFTREG為移位寄存器模塊。移位寄存器ASET端為異步置位端，高電平有效，即ASET為高時(shí)，將初值85置入移位寄存器內(nèi)，LPMSHIFTREG模塊的“DIRECTION”設(shè)置為“RIGHT”即移位方向?yàn)橛乙?。Q[39..0]表示40位移位寄存器的各個(gè)狀態(tài)，SHIFTIN為串行輸入，SHIFTIN為Q0、Q2、Q21、Q23四個(gè)狀態(tài)異或運(yùn)算的結(jié)果。
　　系統(tǒng)加電時(shí)，單片機(jī)將ASET置為低電平，經(jīng)過(guò)一個(gè)非門，變成高電平使移位寄存器處于置位狀態(tài)。在配置完成后，單片機(jī)將ASET信號(hào)置為高電平，經(jīng)非門使移位寄存器正常工作。利用移位寄存器電路產(chǎn)生偽隨機(jī)碼的電路非常簡(jiǎn)單，反饋邏輯也便于修改。

5　單片機(jī)驗(yàn)證偽碼的程序

　　在位尋址區(qū)（20H～2FH）定義了字節(jié)變量WORD1、WORD2、WORD3、WORD4、WORD5，用來(lái)存儲(chǔ)移位寄存器的40個(gè)狀態(tài)。其中Q0對(duì)應(yīng)WORD1.0，Q1對(duì)應(yīng)WORD1.1……Q39對(duì)應(yīng)WORD5.7。同時(shí)，在位尋址區(qū)定義了WORD6、WORD7、WORD8、WORD9，用來(lái)進(jìn)行后面的反饋邏輯計(jì)算。單片機(jī)一上電，首先將ASET腳清零，同時(shí)，也將PNMA腳清零，將初值55H作為移位寄存器的初始狀態(tài)，接著完成FPGA的上電配置工作。配置完成后，單片機(jī)檢測(cè)來(lái)自FPGA的外部中斷CONFDONE。如果配置完成，CONFDONE為高電；否則，為低電平。在檢測(cè)到CONFDONE為高電平，即配置完成后，單片機(jī)將ASET腳置為1，使能FPGA內(nèi)的偽碼發(fā)生電路工作，單片機(jī)產(chǎn)生偽隨機(jī)碼的流程。配置完成后，首先將Q0輸出到PNMA引腳，接著計(jì)算反饋邏輯輸入，將參與反饋運(yùn)算的幾個(gè)狀態(tài)運(yùn)算結(jié)果存在中間變量MID_VARY中。然后，對(duì)各個(gè)狀態(tài)進(jìn)行右移，為了提高運(yùn)算效率，使用了帶進(jìn)位C的字節(jié)循環(huán)右移指令。移位完成后，將MID_VARY存入Q39，再將新的Q0輸出到PNMA引腳，程序循環(huán)執(zhí)行產(chǎn)生偽隨機(jī)碼。

　　單片機(jī)核心源程序如下：

CLR　ASET；單片機(jī)上電后將ASET位清0
CLR　PNMA
MOV　WORD1，#55h
MOV　WORD2，#0
MOV　WORD3，#0
MOV　WORD4，#0
MOV　WORD5，#0；將55H作為移位寄存器的初值PEIZHI：
……；進(jìn)行FPGA的配置工作
JB　CONFDONE，PNPRODUCE；根據(jù)CONFDONE判斷配置是否完成
LJMP　PEIZHI；否則繼續(xù)配置
PNPRODUCE：SETB　ASET；配置完成后，將ASET腳置1
XMQLOOP：MOV　C，Q0
MOV　PNMA，C；將Q0輸出到PNMA引腳，作為PN碼
MOV　C，Q0
MOV　WORD6.0，C；用WORD6單元的0位來(lái)存Q0的狀態(tài)
MOV　C，Q2
MOV　WORD7.0，C；用WORD7單元的0位來(lái)存Q2的狀態(tài)
; MOV　C，Q21
MOV　WORD8.0，C；用WORD8單元的0位來(lái)存Q21的狀態(tài)
MOV　C，Q23
MOV　WORD9.0，C；用WORD9單元的0位來(lái)存Q23的狀態(tài)
MOV　ACC，WORD6
XRL　A，WORD7
XRL　A，WORD8
XRL　A，WORD9；通過(guò)異或指令，計(jì)算反饋邏輯
MOV　C，ACC.0；反饋邏輯為Qin=Q0；
XOR　Q2　XOR　Q21　XOR　Q23
MOV　MID_VARY，C；將運(yùn)算后的狀態(tài)存到MID_VARY中右移運(yùn)算
MOV　ACC，WORD1
RRC　A；移位Q7～Q0
MOV　WORD1，A；移位后，保存到WORD1單元中
MOV　ACC，WORD2
RRC　A；移位Q15～Q8
MOV　WORD2，A；移位后，保存到WORD2單元中
MOV　Q7，C；將Q8的值賦到Q7
MOV　ACC，WORD3
RRC　A；移位Q23～Q16
MOV　WORD3，A；移位后，保存到WORD3單元中
MOV　Q15，C；將Q16的值賦到Q15
MOV　ACC，WORD4
RRC　A；移位Q31～Q24
MOV　WORD4，A；移位后，保存到WORD4單元中
MOV　Q23，C；將Q24的值賦到Q23
MOV　ACC，WORD5
RRC　A；移位Q39～Q32
MOV　WORD5，A；移位后，保存到WORD5單元中
MOV　Q31，C；將Q32的值賦到Q31
MOV　C，MID_VARY；將前面反

饋計(jì)算的值賦給Q39
MOV　Q39，C
LJMP　XMALOOP??；繼續(xù)產(chǎn)生下一代PN碼元

6　其它加密方法介紹及比較

　　對(duì)SRAM工藝的FPGA進(jìn)行加密，除了可以利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)外，還可以用E2PROM工藝的CPLD 實(shí)現(xiàn)。與用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)相比，利用CPLD的優(yōu)點(diǎn)在于可實(shí)現(xiàn)高速偽碼，但要在硬件電路中增加一塊CPLD芯片，使整個(gè)硬件電路復(fù)雜化，增加了成本。本文提供的加密方法考慮到配置完成后單片機(jī)處于空閑狀態(tài)，此時(shí)利用單片機(jī)進(jìn)行加密，不需要增加任何電路成本，使得整個(gè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)潔。本文提出采用長(zhǎng)偽隨機(jī)碼來(lái)實(shí)現(xiàn)加密。如果采用其它的算法產(chǎn)生驗(yàn)證信息，并增加單片機(jī)與FPGA工作時(shí)信息實(shí)時(shí)交互，使得獲取驗(yàn)證信息的難度足夠大，也可以達(dá)到類似的加密效果。

[1].ASETdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/ASET_1336659.html.
[2].SETBdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/SETB_603704.html.
[3].CPLD datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/CPLD+_1136600.html.