基于MEMS強(qiáng)鏈和FPGA的USB移動硬盤數(shù)據(jù)加解密系統(tǒng)

　　3. 物理密鑰與密碼認(rèn)證

　　物理密鑰是相對于邏輯密鑰而言的，邏輯密鑰通常以二進(jìn)制形式存在于芯片內(nèi)部ROM 區(qū)， 容易被破解。而物理密鑰固化在機(jī)械結(jié)構(gòu)內(nèi)部。本設(shè)計采用的反向嚙合齒輪集鑒碼機(jī)構(gòu)所蘊(yùn)含 的密鑰就屬于物理密鑰。它的結(jié)構(gòu)相當(dāng)隱含，不是專業(yè)人士即使知道了鑒碼機(jī)構(gòu)，也很難推出 其密碼。

　　密碼認(rèn)證開始時，USB 控制器把接收到的來自PC 的24 位待驗證二進(jìn)制密碼以脈沖的形 式傳遞給強(qiáng)鏈。強(qiáng)鏈的電機(jī)會根據(jù)脈沖驅(qū)動碼輪。若密碼正確，反干涉齒輪*無摩擦的走通 一周回到原位；只要有一位密碼錯誤，反干涉齒輪*在該位卡死。USB 控制器根據(jù)強(qiáng)鏈的反 饋信號作出判斷，如果驗證通過，則將該系統(tǒng)枚舉成一個可移動磁盤，并把該正確密碼傳遞給 FPGA，作為AES 加密算法的密鑰；否則向PC 機(jī)返回驗證失敗的信息。

　　4. ATA 協(xié)議控制器的實現(xiàn)

　　從密碼認(rèn)證通過，枚舉開始的那一刻起，USB 控制器得到了對硬盤的訪問權(quán)。 根據(jù) ATA 協(xié)議，對支持Ultra DMA 傳輸方式的IDE 硬盤而言，操作歸結(jié)為兩種，對硬盤接 口寄存器讀寫以及對硬盤扇區(qū)進(jìn)行Ultra DMA 批量扇區(qū)。為了對硬盤數(shù)據(jù)進(jìn)行加解密，我們把 FPGA 插入連接GPIF 接口和硬盤接口的IDE 總線，這樣所有控制信號和數(shù)據(jù)信號都要通過 FPGA，受到FPGA 的監(jiān)視和控制。

　　FPGA 必須實現(xiàn)有限狀態(tài)機(jī)，能夠?qū)π盘栠M(jìn)行協(xié)議解析，區(qū) 分出那些需要加解密的扇區(qū)數(shù)據(jù)，也就是在Ultra DMA 傳輸過程中出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)。 在PIO 狀態(tài)時，F(xiàn)PGA 讓所有信號保持直通，因而讀寫硬盤接口寄存器的操作不受任何影響，但狀態(tài)機(jī)監(jiān)測對硬盤接口寄存器的寫入操作。一旦發(fā)現(xiàn)寫入命令寄存器的命令代碼為DMA 讀 （0xC8 或0x25）或DMA 寫（0xCA 或0x35）命令，則有限狀態(tài)機(jī)進(jìn)入DMA 狀態(tài)。

　　因為考慮到數(shù)據(jù)經(jīng)加解密模塊會有200ns 左右的延時，如果控制信號仍然直通一定不能滿 足DMA 傳輸協(xié)議的時序要求，所以理想的辦法是把控制信號也延時相應(yīng)的時間。

　　延時多少的確定很困難，況且也沒有必要，我們采取的方法是設(shè)計了三個主要模塊：數(shù)據(jù) 接收模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，連成一條處理流水線，這樣既能對數(shù)據(jù)流進(jìn)行完全 時序化的控制，又能維持較高的數(shù)據(jù)吞吐。如圖3 所示。數(shù)據(jù)接收模塊的任務(wù)是把硬盤發(fā)送過來的讀扇區(qū)數(shù)據(jù)或者USB 控制器發(fā)送來的寫扇區(qū)數(shù) 據(jù)正確的接收和緩存；數(shù)據(jù)處理模塊的任務(wù)是對扇區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密或解密處理；數(shù)據(jù)發(fā)送模塊 的任務(wù)是把處理完的結(jié)果數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

　　由于數(shù)據(jù)流是雙向的，所以兩個方向上各有一條數(shù)據(jù) 收發(fā)流水線。在一次DMA 傳輸中，只有一條流水線是工作的，且它們暫時獲得IDE 總線的控 制權(quán)。

　　不失一般性，我們討論下執(zhí)行DMA 讀命令的全過程。首先，在PIO 狀態(tài)下將DMA 讀命 令的代碼0xC8（或0x25）寫入硬盤的命令寄存器。此后狀態(tài)機(jī)進(jìn)入DMA 讀狀態(tài)，總線切換給 DMA 讀數(shù)據(jù)接收模塊和DMA 讀數(shù)據(jù)發(fā)送模塊。DMA 讀數(shù)據(jù)接收模塊與硬盤進(jìn)行握手確認(rèn)， 啟動UDMA 讀傳輸，此后每當(dāng)硬盤DMA strobe 信號（DMA 同步信號）發(fā)生跳變，就對16 位 硬盤數(shù)據(jù)總線進(jìn)行采樣，并更新CRC 接收校驗；每采樣8 次則整合成一個128 位并行數(shù)據(jù)，提 供給AES 解密模塊，該模塊取走這128 位數(shù)據(jù)開始新一輪AES 解密迭代運(yùn)算，同時輸出前一 輪處理完的128 位解密數(shù)據(jù)，并拆分為8 個16 位并行數(shù)據(jù)，陸續(xù)存入一個16 位寬的FIFO。與 此同時，DMA 讀數(shù)據(jù)發(fā)送模塊查詢到FIFO 中出現(xiàn)了數(shù)據(jù)，就開始不斷的從中讀取，并放在16 位數(shù)據(jù)總線上提供給USB 控制器，每放一次數(shù)據(jù)，便翻轉(zhuǎn)一次DMA strobe 電平使得USB 控制 器的GPIF 接口能夠同步接收數(shù)據(jù)，同時更新CRC 發(fā)送校驗。

　　當(dāng)硬盤把所有指定數(shù)量的加密數(shù)據(jù)都發(fā)送給FPGA 后會收到FPGA 的CRC 接收校驗反饋， 若與硬盤內(nèi)部的CRC 校驗一致，則硬盤認(rèn)為這次DMA 讀命令被正確執(zhí)行。

　　當(dāng) FPGA 把所有處理完的解密數(shù)據(jù)都發(fā)送給USB 控制器后也會收到USB 控制器的CRC 校 驗反饋，若與FPGA 內(nèi)部的CRC 發(fā)送校驗一致，則可以認(rèn)為一次完整的含解密的DMA 讀命令 被正確執(zhí)行。