基于DS28E01的FPGA加密认证系统的设计

在现代电子系统的设计中，高速 FPGA运行时需将其配置数据加载到内部SRAM 中，改变SDRAM 里面的数据，从而使FPGA实现不同的功能，即所谓的可重构技术。但是由于其采用的是基于SRAM的技术，每次上电的时候都会重新配置FPGA，这就可以通过监视FPGA配置引脚位流的方法来实现对设计的复制，因此，在关键设备的设计中，有必要采取加密的技术来保护设计者的知识产权。

　　1、加密问题的提出

　　由于 FPGA基于SRAM，所以掉电以后，其内部的数据必然丢失，为了让系统正常运行，就需要在系统上电的时候给FPGA加载程序，目前对FPGA加载程序的方法主要有以下几种 ：

　　第一、 采用边界扫描的方式，这种方法主要用于产品调试期间用；

　　第二、 采用专用配置芯片配置，主要用于升级次数少的产品；

　　第三、 采用存储器＋微控制器的配置方法，这种配置方法灵活，使用方便，便于升级，多用于需要多次升级的产品。

　　以上几种 FPGA配置方法在上电加载程序的时候，都需要将配置的数据通过配置管脚下载到 FPGA中，这样，就可以利用一定的电路对这些引脚进行采样来获得 FPGA的配置信息，就可以对另一款同样的 FPGA来进行配置，这样，就不需要知道设计的具体原理而实现了同样的功能，从而达到了克隆设计的目的，对设计者造成了巨大的损失，所以，我们有必要对我们的设计采取加密认证技术。

　　2、DS28E01芯片及其加密原理

　　MAXIM公司生产的 DS28E01将 1024位 EEPROM与符合 ISO/IEC110118-3安全散列算法(SHA-1)的质询响应安全认证结合在一起。在单个芯片内集成了 1024位 EEPROM(分为 4页，每页 256位)、64位密钥、一个寄存器页、512位 SHA-1引擎和 64位 ROM序列码。 DS28E01对数据按照 1-Wire协议串行传送，通信速率为15.3kbps(标准速率模式)或125kbps(高速模式)，只需要一根数据线和一根返回地线，最大限度的节省了对控制器 I/O口的占用 。

　　HASH加密函数是一种单向散列函数，是一种单向密码体制，即它是一种从明文到密文的不可逆映射，只有加密过程，不能解密，也就是说，从数学上不能由密文反过来推算出明文的任何消息。其中常见的 HASH函数的算法有:MD5、SHA、N-Hash、RIPE-MD、HAVAL等 。

　　SHA-1算法是一种通过直接构造复杂的非线性关系达到单向要求，设计单向散列函数的算法，具有“不可逆”、“防碰撞”以及良好的“雪崩效应” ，防止了盗窃者利用相近的输入来达到破解密码的可能性。

　　DS28E01内部的加密过程是在内部的加密引擎中进行的，其加密引擎利用的是 HSAH函数的 SHA-1算法，但是和标准的 SHA-1算法又有几点不一样。标准算法的输入值可以小于、等于或大于分组长度512bit，但是 SHA-1引擎的 SHA-1算法输入的是固定的512bit,也就是标准 SHA-1算法的分组长度。并且标准 SHA-1算法每个分组的最后一次循环体的输出都要和输入每个分组的初始常量做MOD232加法，而在 DS28E01的 SHA-1引擎中由于只有一个512bit的循环体，最后就省略了将初始常量添加回结果的最终步骤。至于引擎的 SHA-1算法的其他步骤则与标准的 SHA-1算法相同。

　　3、加密模块设计

　　目前由很多能实现 FPGA加密的方法，如在 Xilinx Virtex-II和 Virtex-4这类的高端FPGA中，支持对配置数据流的加密操作。这样仅当 FPGA中含有相同的密钥时，这些数据流才可以工作。但是这种加密的方法对更为广泛的、对成本比较敏感的应用场合来说不甚合适。因此，这里利用另一种可行的身份识别法来防止意外拷贝。这种方法对所有 FPGA家族都使用，包括低端的 Xilinx Spartan-3系列FPGA。

　　3.1、加密模块的原理图设计

　　本次设计中的加密模块的原理图如图1。硬件部分主要由 Xilinx公司 Spartan-3系列的X3CS500E以及MAXIM公司的DS28E01芯片组成。DS28E01芯片和FPGA之间是通过DS28E01的第二引脚的 1-Wire通信总线进行通信的。