加密存儲芯片AT88SC1616的原理和應(yīng)用技術(shù)

摘要：從加密存儲芯片AT88SC1616內(nèi)部結(jié)構(gòu)出發(fā)，詳細(xì)介紹該芯片的功能、特點和基本工作原理;給出通用的硬件接口電路和軟件編程實現(xiàn);討論AT88SC1616在單處機(jī)與嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：加密存儲芯片 AT88SC1616 I2C總線 嵌入式系統(tǒng) 隨著嵌入式產(chǎn)品性能的日益提高，嵌入式系統(tǒng)在消費(fèi)類電子、汽車、工業(yè)控制和通信等行業(yè)迅速普及;但由于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)成本高、

研發(fā)周期長，使得關(guān)鍵技術(shù)的加密和重要數(shù)據(jù)的保密問題日益突出。如何在這些嵌入式系統(tǒng)中采用低成本、高效率的方法保護(hù)自己的科研成果不被非法仿制和剽竊，同時保存一些關(guān)鍵代碼或數(shù)據(jù)已成為困擾許研發(fā)工程師的問題之一。解決的辦法除了采用法律手段保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)外，另一個更加簡單有效的方法就是采用加密存儲芯片進(jìn)行硬件電路的加密和重要數(shù)據(jù)的認(rèn)證存儲。 AT88SCxx系列加密存儲芯片是國際著名芯片廠商Atmel公司生產(chǎn)的具有多用途的加密存儲系列芯片。其中AT88SC1616是該系列芯片的典型代表。由于其具有多達(dá)2KB的EEPROM，利用I2C串行總線通信，采用認(rèn)證或加密驗證等方式進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問，因此以其容量大、體積小、使用方便、安全可靠等特點，在產(chǎn)生開發(fā)中得到了廣泛的應(yīng)用。 1 器件簡介 1.1 引腳說明 如圖1所示，在嵌入式系統(tǒng)中，AT88SC1616常采用SOIC和PDIP兩種典型封裝。由于器件采用I2C串行總線接口，因此引腳數(shù)目少，體積小。各引腳功能如下： SCL——串行時鐘輸入腳，用來控制器件所有的數(shù)據(jù)輸入相輸出; SDA——串行數(shù)據(jù)輸入/輸出腳; VCC——電源電壓，工作電壓為3.0～5.5V; GND——地; NC——不連接。

1.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 如圖2所示，AT88SC1616加密存儲芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由電源管理復(fù)位模塊、同步傳輸模塊、認(rèn)證單元、密碼校驗單元、偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器和EEPROM等幾部分組成。其中電源管理復(fù)位模塊主要對芯片進(jìn)行供電、提供復(fù)位管理和掉電保護(hù)等功能;同步傳輸模塊用于控制在不同通信方式下數(shù)據(jù)的傳輸;認(rèn)證和密碼校驗單元實現(xiàn)在不同安全等級下用戶用戶應(yīng)用區(qū)數(shù)據(jù)訪問的安全管理;偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器用于進(jìn)行內(nèi)部加密機(jī)的加密計算;EEPROM則保存需要加密的重要數(shù)據(jù)和代碼。 1.3 主要特點 ①具有256B的配置存儲區(qū)，可根據(jù)不同需要定義芯片序列、密碼、密鑰、認(rèn)證種和廠家信息等。 ②提供2KB的用戶應(yīng)用存儲區(qū)，可根據(jù)不同安全等級將該區(qū)劃分為16個獨立的應(yīng)用分區(qū)，最多可以提供給16個用戶使用;也可將具有相同安全等級和密碼的多個應(yīng)用分區(qū)進(jìn)行合并。

③高安全性。對于用戶民應(yīng)用區(qū)，具有標(biāo)準(zhǔn)訪問、認(rèn)證訪問和加密驗證訪問兩種方式，同時提供多組密碼集供讀寫訪問使用。每個應(yīng)用分區(qū)在配置區(qū)中都有相應(yīng)的寄存器控制其安全等級和訪問方式。 ④高可靠性。提供多達(dá)10萬次擦寫次數(shù)和10年的數(shù)據(jù)保存期。 ⑤多種封裝。除8腳的PDIP、SOIC封裝外，還具有智能卡片封裝，可廣泛應(yīng)用于IC卡系統(tǒng)。 ⑥高速度。在I2C串行總線方式下，通信速率最高可達(dá)1000kb/s。 2 工作原理 2.1 配置區(qū)結(jié)構(gòu) AT88SC1616邏輯加密芯片是一款串行EEPROM，共有2KB的用戶應(yīng)用存儲區(qū)和256B的系統(tǒng)配置區(qū)，應(yīng)用存儲區(qū)通過配置可劃分成16個相同容量的應(yīng)用存儲區(qū)。分別受8套(16個)讀、寫密碼的控制，錯誤計數(shù)最大8次。這16個應(yīng)用分區(qū)也可以通過配置使用相同的密碼和安全等級可自由合并使用。 AT88SC1616配置區(qū)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。 ①DCR：指定認(rèn)證次數(shù)限制和芯片地址。 ②AR0～AR7：確定訪問權(quán)限，初始化時定義，指定對應(yīng)的用戶應(yīng)用區(qū)訪問方式，例如是否需要認(rèn)證，是否使用密碼，使用哪一套密碼，是否只讀等等。 ③AAC：認(rèn)證錯誤計數(shù)器。 ④PAC：密碼錯誤計數(shù)器。

供用戶使用的16個應(yīng)用存儲區(qū)都各有2個24位的密碼，可在配置區(qū)對其讀寫操作進(jìn)行設(shè)置，并且每個密碼都有計數(shù)器限制口令驗證次數(shù)。 2.2 芯片使用 AT88SC1616芯片為用戶訪問應(yīng)用存儲區(qū)提供了標(biāo)準(zhǔn)、認(rèn)證和加密三種方式，既方便用戶根據(jù)實際情況靈活選擇加密方式，又提高了系統(tǒng)的安全性。在標(biāo)準(zhǔn)訪問方式下，對用戶應(yīng)用區(qū)的讀寫訪問無任何限制;在認(rèn)證方式下，用戶必須經(jīng)過認(rèn)證，同時要通過不同用戶區(qū)所設(shè)定的密碼檢驗才能正確訪問用戶數(shù)據(jù)區(qū)，在這種方式下，總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是明文：加密驗證模式下訪問用戶時用戶必須首先經(jīng)過認(rèn)證，然后利用認(rèn)證成功后配置區(qū)特定寄存器中更新的數(shù)據(jù)作為密鑰再次進(jìn)行認(rèn)證，最后還要通過不同用戶區(qū)設(shè)定的密碼檢驗后才可訪問用戶區(qū)，這種方式下總線下傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是經(jīng)過加密的密文。 總體來說，對芯片的使用可分成初始化、認(rèn)證(加密)和訪問三個步驟。 (1)初始化 初始化的過程，用戶系統(tǒng)的MCU要將生產(chǎn)廠商信息、分區(qū)設(shè)備、安全等級和密碼以及加密認(rèn)證所需參數(shù)等寫入芯片的配置區(qū)，最后還要進(jìn)行寫熔斷的處理。在實現(xiàn)的過程中，應(yīng)重點考慮如何對AT88SC1616的2K配置區(qū)進(jìn)行合理的配置和使用，對訪問用戶分區(qū)的權(quán)限進(jìn)行有效的控制。 在對配置區(qū)進(jìn)行合理配置的同時，要將從證所需的三組重要的參數(shù)寫入到配置區(qū)相應(yīng)的寄存器中。這三組數(shù)分別是：Ci(Cryptograms)認(rèn)證所需的隨機(jī)數(shù)，Nc(Identification Number)芯片序列號，Gc(Secret Seeds)由用戶自定義的F1算法得出的秘密種子。 初始化時，首先要向第七組寫密碼區(qū)中寫入配置區(qū)的寫入密碼。只有正確寫入該密碼后用戶才可以獲得對整個配置區(qū)的寫入權(quán)力，這個密碼由芯片供應(yīng)商提供。正確寫入密碼后就可以根據(jù)要求對芯片的各個寄存器進(jìn)行配置，最后還要根據(jù)用戶需要，按照SEC、PER、CMA、FAB的順序依次向熔斷位寫入0進(jìn)行熔斷處理。注意，芯片一旦被寫熔斷后就無法再對配置區(qū)的信息進(jìn)行更改。 (2)認(rèn)證 整個認(rèn)證過程是一個雙向認(rèn)證的過程，流程如圖4所示。 用戶系統(tǒng)的MCU首先從芯片中讀出Nc和Ci，根據(jù)自定義的F1(Nc,Ks)算法算出Gc，同時利用芯片內(nèi)部的F2(Gc，Ci，Q0)算法算出Q1，并向芯片發(fā)送初始化認(rèn)證參數(shù)Q1和Q0，其中，Q0是CPU方給出的隨機(jī)數(shù)。芯片內(nèi)部則利用自己的F2邏輯算出Ci+1=F2(Gc,Ci,Q0)，同時得出Q2=F2(Gc,Q1)。芯片收到校驗認(rèn)證命令后，判斷是否Ci+1=Q1，如是，則有Ci+2=F2(Gc,Ci+1)，且用Ci+2更新Ci，芯片中的認(rèn)證通過;同時更新芯片內(nèi)部同組的SK(Session Encryption Key)的值。CPU方接收芯片中更新的Ci后，判斷是否等于Q2，如果通過，則認(rèn)證全部通過。 上面說的過程是認(rèn)證模式，如果想進(jìn)入加密難證模式的話，需要再次利用認(rèn)證成功時返回更新的SK值，用它取代Gc，Ci再作為參數(shù);利用F2函數(shù)，芯片和 MCU方再計算一次并比較，判斷相等后才進(jìn)入加密認(rèn)證模式。 上面提到的F2算法，是芯片內(nèi)部的控制邏輯利用Gc、Ci、Q0三個參數(shù)初始化的一個DES算法的變種。這個算法是所有加密解密、完整性認(rèn)證與信息認(rèn)證的關(guān)鍵。

(3)訪問用戶區(qū) 認(rèn)證(加密)成功后就可以發(fā)送命令選擇用戶分區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫訪問了，如果各個分區(qū)還有讀或?qū)懙拿艽a限制，則還需要向訪問 的分區(qū)寫入密碼進(jìn)行校驗，通過這一步后才能真正完全訪問用戶分區(qū)。此時如果多個用戶分區(qū)使用相同的安全等級和密碼，則可以將這多個用戶區(qū)進(jìn)行合并。需要說明的是，認(rèn)證一旦成功后，芯片內(nèi)部的加密機(jī)就立即開始啟動，MCU對芯片的任何操作都需要根據(jù)芯片加密機(jī)內(nèi)部算法進(jìn)行計算，以保持與它的同步。特別是向用戶分區(qū)發(fā)送一次寫入命令和數(shù)據(jù)后，要緊接著發(fā)送一次MCU方計算的加密機(jī)結(jié)果，與芯片內(nèi)部加密機(jī)計算的結(jié)果進(jìn)行校驗。芯片只有接收到正確的校驗和后才能將數(shù)據(jù)寫入到相應(yīng)的地址內(nèi)，否則數(shù)據(jù)寫不到目的地址，同時芯片會返回錯誤信息。 3 芯片功能實現(xiàn) 3.1 硬件電路 由于AT88SC1616加密芯片采用兩線的I2C總線通信方式，因此與微處理器的硬件接口相對容易。圖5是AT88SC1616與AVR單片機(jī) Atmegal128相連的硬件接口電路。由于Atmegal 128內(nèi)部帶有I2C接口，因此它可與AT88SC1616直接相連。在其它嵌入式系統(tǒng)中，AT88SC1616與其它微處理器的接口同樣簡單，只要與相應(yīng)的I2C接口引腳直接相連即可。如系統(tǒng)的MCU沒有專用I2C接口引腳，可使用一般的I/O引腳(GPIO)與AT88SC1616的時鐘線和數(shù)據(jù)線相連，采用I2C模擬方式就可以正常工作。但無論是否進(jìn)行I2C的模擬，其總線上一定要保證符合I2C總線要求的上拉電阻，以保證其時序的正確無誤。 3.2 軟件實現(xiàn) AT88SC1616采用兩線的I2C通信方式，其控制時序比較簡單，本文不再多述。這里重點講述一下芯片使用工作過程。 AT88SC1616的初始化流程如圖6所示。按照寫入配置區(qū)密碼、區(qū)分訪問方式和讀寫密碼、安全限制和認(rèn)證參數(shù)、熔斷處理的順序，以I2C的通信方式向芯片內(nèi)部各寄存器地址發(fā)送命令和數(shù)據(jù)。由于AT88SC1616內(nèi)部有一內(nèi)存測試區(qū)(memory test)不受安全和密碼限制，因此為保證I2C讀寫時序的正確性，可先向該區(qū)進(jìn)行讀寫測試，然后再向芯片正確寫入各種命令。 用戶認(rèn)證流程如圖7所示。無論系統(tǒng)MCU是采用本身I2C接口，還是使用普通I/O口進(jìn)行I2C模擬，軟件的實現(xiàn)都遵循如前所述的總線時序。需要注意的是，在啟動I2C START信號前，SCL一定要首先發(fā)送4個脈沖來啟動通信，否則發(fā)送的數(shù)據(jù)和命令不會被芯片正確接收。這一點與普通I2C器件有所不同，一定要得到重視。 訪問用戶分區(qū)的流程如圖8所示?？上认蛴脩舴謪^(qū)寫入數(shù)據(jù)后再讀出以進(jìn)行校驗。編程時要注意，認(rèn)證一旦成功，MCU所有對芯片的操作都要加上對內(nèi)部加密機(jī)的計算，對芯片發(fā)送命令和數(shù)據(jù)后要緊接著發(fā)送校驗和，以和芯片內(nèi)部的加密機(jī)進(jìn)行校驗，校驗和不正確芯片會返回錯誤信息。

4 在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用 由于AT88SC1616具有使用方便、安全可靠等諸多優(yōu)點，使其在工業(yè)控制、消費(fèi)類電子、醫(yī)療器械、計費(fèi)系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。筆者已將該芯片用于已開發(fā)的選擇性漏電保護(hù)系統(tǒng)中。在這個系統(tǒng)中的64條供電支路被人為劃分成4個區(qū)，每個區(qū)設(shè)定獨立的電壓、電流和相位。針對不同區(qū)的管理員，還設(shè)定不同的用戶名和密碼，這些參量都被保存在AT88SC1616的用戶使用區(qū)中。我們在維護(hù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全性方面采用的辦法是，在程序中對這些參量的讀寫訪問都設(shè)定了密碼，密碼不正確是不能讀寫這些參量的，保證了只有真正的供電分區(qū)管理員才可對相應(yīng)區(qū)的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定;同時采用加密驗證訪問方式，使得總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是密文，維護(hù)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性。為防止有些不良用戶利用非法手段獲取系統(tǒng)時序進(jìn)行反匯編，以此達(dá)到破解系統(tǒng)牟取高額利潤的目的，也采用了兩個辦法來保證整個系統(tǒng)的安全性，一是系統(tǒng)中不定期地對芯片進(jìn)行認(rèn)證訪問，系統(tǒng)一次認(rèn)證不成功就返回錯誤信息;第二是對非法的認(rèn)證訪問數(shù)進(jìn)行錯誤限制，錯誤一旦超過8次，芯片鎖死，從而維護(hù)了我們的知識產(chǎn)權(quán)。 出于安全考慮，每個芯片要使用唯一的序列號。筆者還根據(jù)實際情況設(shè)計了一款針對AT88SC1616的簡單實用的編程器，利用該編程器可在芯片正式使用之間對其初始化，將序列號、認(rèn)證參數(shù)、安全等級、訪問密碼等各種信息寫入配置區(qū)，使得每一個被初始化的芯片都可以直接在其它系統(tǒng)中應(yīng)用，大大提高了效率。 結(jié)語 本文詳細(xì)介紹了AT88SC1616的芯片結(jié)構(gòu)、特點、數(shù)據(jù)存儲訪問原理，并以Atmega 128與其接口為例，給出了實用的硬件接口電路與軟件實現(xiàn)流程。由于AT88SC1616具有較大的存儲空間、嚴(yán)格的安全性能和簡單可靠性的高速數(shù)據(jù)傳輸方式，因此極大地提高了嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全性和適用性。我們已將此芯片成功應(yīng)用于選擇性漏電保護(hù)的軟硬件加密系統(tǒng)中。事實證明利用該芯片既提高了系統(tǒng)的防破解性，又保證了重要數(shù)據(jù)的安全性。另外，我們還根據(jù)其特點設(shè)計了可用于初始化該芯片的編程器，為大批量生產(chǎn)提供了硬件條件，獲得了良好的效果。 AT88SC1616良好的安全性使得它還可更廣泛地應(yīng)用于遠(yuǎn)程抄表、醫(yī)療器械、機(jī)頂盒、汽車、通信、消費(fèi)類家電等嵌入式系統(tǒng)。本文所介紹的方法對這些應(yīng)用都有很好的參考價值。