函授計算機專業畢業論文

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　　函授計算機專業畢業論文篇1

　　淺議安全處理器

　　摘 要 通過對處理器技術的跟蹤,給出了基于密碼算法的32位安全處理器的結構,并對密碼算法核的結構和軟件進行設計與研究,最后結合安全處理器的應用領域,充分肯定了研究安全處理器的重要性。

　　關鍵詞 處理器、安全處理器、安全模塊、密碼模塊

　　1 引言

　　現有的安全技術似乎始終存在著局限性,防火墻被動防御無法阻止主動入侵行為、應用級過濾檢測與處理能力存在矛盾,背負眾望的IPv6技術也無法鑒別主機、用戶真實身份,無法阻止攻擊報文。當系統的安全越來越岌岌可危,人們開始嘗試從芯片的角度去解決安全難題。要保證信息安全首先要保證擁有自有版權的安全芯片。目前,安全芯片設計在信息安全領域已取得了很大成績,在密碼學研究方面已經接近國際先進水平,嵌入式密碼專用芯片也已開發成功,但密碼芯片在功能與速度方面還滯后于系統和網絡的發展,特別在高速密碼芯片方面與國際先進水平有很大差距。同時,在CPU方面,不管是通用處理器、嵌入式處理器還是專用微處理器技術已經很成熟,國內多個單位都把嵌入式處理器作為切入點,如中科院計算所的“龍芯”、北大微處理器中心的“眾志”、中芯的"方舟"等,嵌入式CPU已作為SOC芯片的核心,但很少考慮安全方面,特別是針對國內的專用密碼算法。具有自主版權的CPU才是安全的CPU,只有具有自主知識產權的CPU不斷取得新突破,對我國的信息安全才具有重大現實意義。隨著網絡速度的不斷提高,微電子技術的不斷發展,在芯片中加入安全功能成為一種趨勢,特別是在個人電腦的芯片設計中。研制安全處理器將是今后安全產品的發展趨勢。

　　2 安全處理器的技術跟蹤 2.1 嵌入式處理器

　　目前處理器的劃分從應用角度出發,分三類:通用處理器、嵌入式處理器、專用處理器。這些分類都是相對的,只是在一定程度上反映CPU的特性。

　　根據CPU的特性,選擇嵌入式處理器[2]為主要的研究對象。它的有利方面表現在:

　　(1) 芯片設計技術,EDA工具已有很大發展,完全可將一個完整的系統集成在一個芯片上,即SOC(System On Chip)。這一技術使開發速度大大加快,可實現自主的知識產權。

　　(2) 與嵌入式CPU配套的軟件,從嵌入式OS(包括Linux和其他自主OS)到在它上面運行的應用程序,不像PC的軟件那樣受到微軟壟斷的影響,完全可以自主開發。

　　(3) 嵌入式CPU對半導體生產工藝的要求適合我國的國情。多數不必采用最先進、昂貴的半導體工藝,能充分發揮國內現有的半導體生產能力。

　　系統芯片技術使嵌入式應用系統的開發越來越傾向于以32位CPU為核心,傳統的8位微處理器由于芯片面積小,開發方便,得到了廣泛的應用。但由于其總線寬度僅為8比特,性能相對較低。而隨著應用的不斷擴展,系統控制部分越來越復雜,對微控制器的性能要求也日趨提高。32位CPU核是發展趨勢,掌握了自主32位CPU核的技術,在安全應用領域具有重大意義。縱上所述,我們研究的安全處理器采用的是32位嵌入式處理器。

　　2.2 安全處理器

　　目前,市場大部分的安全產品采用傳統的應用電子系統設計,其結構都是通過CPU軟件運算密碼算法或者將密碼算法用硬件FPGA實現,然后用CPU控制。這樣的結構使安全產品的速度受到約束,產品的集成度不高,不能降低產品的成本。

　　對于安全處理器來說,不是以功能電路為基礎的分布式系統綜合技術,而是以功能IP為基礎的系統固件和電路綜合技術。因此,安全處理器是集處理器和安全技術于一體。其功能的實現不再針對功能電路進行綜合,而是針對系統整體固件實現進行電路綜合。電路設計的最終結果與IP功能模塊和固件特性有關,而與PCB板上電路分塊的方式和連線技術基本無關,從而使所設計的結果十分接近理想設計目標。當前,國外已經有些公司研制生產出了安全協議處理器,如Hifn公司近日推出最具性價比的HIPP II 8155安全協議處理器,適用于路由器、交換機及網關等IPsec和SSL等應用。但是這些產品使用的是標準的公開算法如AES,DES等,不能滿足國內安全產品的需要。文章所設計的安全處理器是基于專用算法的32位處理器。

　　3 安全處理器的設計

　　安全處理器的設計將包括嵌入式操作系統、嵌入式系統程序和應用程序的開發;軟件與硬件的劃分、協同設計、協同仿真;電路的綜合、布局布線等等。在完成對當前微處理器、SOC設計技術和安全處理器等新技術的跟蹤后,結合對CPU和密碼芯片的實踐,設計了安全處理器的結構、算法核的結構和軟件。

　　3.1 安全處理器結構

　　安全處理器采用的基本體系結構如下:

　　采用這種系統結構,CPU能通過內部總線控制各個模塊部分,DMA控制器也能通過內部總線控制各個模塊之間的數據傳輸。且CPU能響應各個模塊的中斷,中斷控制器控制著優先級和響應模式;總線控制器控制著內部總線的狀態;安全模塊能產生中斷并具有狀態值可供查詢和使用。

　　安全處理器能獨立作為數字信號處理器DSP 使用;也能通過PCI、存儲器擴展等通用接口連接顯示器、硬盤等外設、存儲器可以組成微計算機環境。

　　作為專用芯片時,一般用來研制安全設備,對用戶的數據進行保護。將密碼算法模塊掛在系統總線上,(系統總線采用ARM公司的AMBA 2.0規范[1]),密碼算法模塊有主模式和從模式兩種工作模式,通過微處理器核來初始化、配置密碼模塊。這樣,單個的SOC[3]可以實現網絡加密,當安全處理芯片接受一個從MAC發來的數據包后,由操作系統的TCP/IP應用程序分析數據包,根據協議提取加/脫密操作有關的數據,將密碼模塊設置為從設備,安全處理器按照密碼模塊的要求,送相關的地址、長度、或者密鑰等參數,然后將密碼模塊置為主設備,由密碼主設備申請總線傳輸,從MAC或存儲器中讀入數據,進行加、脫密算法運算,添加一些必要的信息,將結果數據送到MAC或者目的存儲器中。采用這種結構不但實現了使用一個安全處理器就完成了網絡數據包的加脫密,而且由于密碼模塊直接掛在系統總線上,提高了加脫密速度。同時由于集成在一個芯片上,增加了密碼模塊的安全性。從而根據不同的用戶需求,研制開發成不同種類的安全保密設備。

　　3.2 安全模塊的結構

　　安全模塊分為專用密碼算法核、公開密碼算法核、運算加速器和快速驅動引擎。安全模塊核心部件掛接在系統的高速總線上,為了提高其利用率,采用虛擬部件的結構和算法部件驅動引擎。不同的算法操作對應不同的指令,這些指令為專用指令,需要編譯器的支持或者通過微指令執行。物理尋址范圍一般較窄,輸入/輸出支持DMA、I/O、Burst等總線結構的所有操作。操作的策略實現預置/預測機制,采用4位指令執行狀態標記。密碼算法核預設兩組物理實體,實體間相互獨立。算法的邏輯位寬128bit,為部件級流水線的工作方式。數據處理按序進行,操作結果按序寫入,回寫操作受指令的執行狀態控制。算核中還嵌入部分微代碼,支持特定的應用和專用算法的測試、密碼算法的自動配置和參數下載,從而確保密碼算法硬件的可靠性和安全性。

　　密碼算法部件的結構如下:

　　Reset(復位)來自芯片的復位控制器模塊,中斷及響應與芯片的中斷控制器相連,狀態反映在芯片的狀態寄存器中,CLK來自芯片的PLL模塊,最高頻率為160MHz,地址線、數據線等與芯片的內部總線相連,擴展控制可以連接已有的外部安全密碼模塊。

　　密碼算法核采用兩種工作方式主設備模式和從設備模式。當工作在主設備模式時,寫完密鑰后,密碼模塊按AHB規范[1]申請總線,在請求總線成功后,密碼模塊將源地址發送到總線上,將源地址中的數據讀入SFIFO中,釋放數據總線,處理器可以并行完成其余任務。同時,模塊內部從SFIFO中讀出數據,進行算法運算,同時將加密結果寫入EFIFO中。通過這種工作方式,可以提高加脫密速度,并行完成任務。密碼模塊工作在從設備模式時,處理器以存儲器模式訪問專用算法核,適應于低速產品的需要。

　　3.3 安全處理器的軟件特征

　　安全處理器的軟件是實現嵌入式系統功能的關鍵,對安全處理器系統軟件和應用軟件的要求也和通用計算機有所不同。

　　(1) 軟件要求固態化存儲。為了提高執行速度和系統可靠性,嵌入式系統中的軟件一般都固化在存儲器芯片或作為BIOS。

　　(2) 軟件代碼高質量、高可靠性。盡管半導體技術的發展使處理器速度不斷提高、片上存儲器容量不斷增加,但在大多數應用中,存儲空間仍然是寶貴的,還存在實時性的要求。為此要求程序編寫和編譯工具的質量要高,以減少程序二進制代碼長度、提高執行速度。

　　(3) 系統軟件(OS)的高實時性是基本要求。

　　(4) 在多任務嵌入式系統中,對重要性各不相同的任務進行統籌兼顧的合理調度是保證每個任務及時執行的關鍵,單純通過提高處理器速度是無法完成和沒有效率的,這種任務調度只能由優化編寫的系統軟件來完成,因此系統軟件的高實時性是基本要求。

　　(5) 多任務操作系統是知識集成的平臺和走向工業標準化道路的基礎。

　　4 安全處理器的應用

　　安全處理器的應用很廣闊,既可以用來設計終端加密設備,又可以設計線路式加密設備,完成批信息加/脫密處理、數字簽名、認證和密鑰管理等功能。安全處理器具有PCI、MAC、USB等接口,直接與接口器件相連。線路上的數據流通過接口芯片流入安全處理器芯片的相應接口模塊,數據被接受。CPU對收到的一幀(包)數據進行處理,支持SDLC/HDLC、PPP、DDN、FR等協議,需要加(脫)密的數據通過處理器芯片的內部總線與密碼模塊進行交換,由密碼模塊完成加(脫)密操作,處理完的數據最后由CPU控制通過相應的接口發送出去。安全處理器將專用密碼算法核和處理器集成在一個芯片上,最大限度的減少了部件之間的連接,提高了系統的安全性和可靠性,充分保證了高性能和高性價比,優越性會越來越明顯,必將會得到更廣泛的應用。

　　參考文獻

　　〔1〕AMBA Specification (Advanced Microcontroller Bus Architecture Specification)

　　〔2〕北京大學“吉利久SoC的技術支持機嵌入式系統設計”

　　〔3〕“SOC技術及國內發展現狀”《世界電子元器件》北京海爾集成電路設計有限公司賴祥寧

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