基于 FRAM 的 MCU 为低功耗应用提高安全性

时间：10-23 来源：作者：德州仪器 Jacob Borgeson 点击：

到 EEPRO 中的浮动栅电荷水平，因此可记录存储在存储器位置上或在数据线路上传输的数据。电压篡改：这类攻击多年来一直针对 EEPROM 及闪存设备，特别是用于电话卡作弊。实际上，就是让设备输入电压超过标准范围，对比特单元进行强制编程。注意，提供工作时间比 EEPROM 比特单元完成编程所需时间长得多的欠压及过压保护电路系统非常困难。不过，FRAM 的读写时间很快，因此可对电压篡改攻击进行保护。光篡改：有证据表明，EEPROM 比特单元可能因为 Optical Fault Induction 攻击而导致数据值被修改。激光或 UV 辐射都不会影响 FRAM 比特单元（忽略强光热效应），因此基于 FRAM 的设备对于这类攻击而言是安全的。辐射：阿尔法粒子可导致 EEPROM 中的比特替换。实践证明，FRAM 架构不受阿尔法粒子及其它辐射源影响。此外，由于 FRAM 的铁电属性，其也不受磁场影响。

图 3：FRAM 与 EEPROM 受影响情况一览表

对于众多上述攻击的应对措施就是确保闪存及 EEPROM IC 的安全性。但是，与某种攻击实例以及某单个器件上被盗用数据的价值相比，这些应对措施往往实施起来成本太高。此外，这些应对措施可提高电源需求，提升应用设计复杂性，从而可降低整体系统可靠性。然而，由于 FRAM 提供针对不同类型攻击的所有内在恢复力，因此可对安全应用产生比闪存和 EEPROM 更积极的影响，降低设计复杂性，消除实施应对措施的开销。

使用支持快速信号及偏振状态的 FRAM 与使用闪存和 EEPROM 相比，可为敏感代码及数据提供强大保护。FRAM 存储器块可采用不同类型的访问权限进行配置，进一步保护系统。只读针对诸如 LCD 使用的字体等常量，读写仅支持变量，而读取与执行仅适用于应用代码。访问权限的使用不仅可提高应用稳定性，防止存储器的无意识滥用，而且还可针对系统蓄意攻击提供保护。

此外，FRAM 存储器管理还可通过 IP 包络提供另一层存储器安全，使开发人员不但可定义受保护的存储器分段，而且还可针对应用进行功能拆分。只有通过代码执行在相同包络分段内才能对受保护分段进行直接读写访问。这样，来自未保护分段的代码要访问包络分段的唯一途径就是调用受保护分段内的函数。具体而言，处理安全密钥及数据的代码可通过打包与其它应用隔离。这样，即便应用代码遭到某种毁坏，也不会暴露系统的安全部分。此外，外部 JTAG 访问不允许进入受保护分段。不过要特别注意的是，任何设计都必须包含安全门入口和多重检查等软件设置，以便传递这种安全标准。该实用硬件特性可产生更深远的意义，但不是万无一失的"傻瓜式"方案。

图 4：TI MSP430FR59xx MCU 采用 FRAM 存储器管理提供存储器保护及 IP 包络

电源
采用无线连接的便携式应用在设计时需要考虑电源效率问题。例如，加密通道会由所使用的握手与认证过程大幅提升事务处理开销。例如该过程不但可延长无线电的工作时间，而且还可延长 CPU 的工作时间。在使用闪存或 EEPROM 等慢速存储器技术时，无线更新在超过 10 mA 的恒定电流下可以按秒计，这对电池的负面影响非常大。

集成型 AES 256 加密引擎的高效率有助于工程师推出功耗仅为此前所需能源十分之一的加密功能。此外，FRAM 更快的访问速度与更低的电源需求所消耗的功耗可比传输前加密格式记录数据的单位功耗减少约 250 倍。

更好地理解这些数字，需要考虑执行无线更新的低功耗器件。由于这些器件所需电源极少，因此要采用 EEPROM 或闪存的话，一次更新的功耗可能就高达电池使用寿命的一个月。而采用 FRAM 的同等系统将使用不足四分之一天的电池使用寿命。

此外，FRAM 的高效率还可影响到标准工作期间的电源与存储器使用效率。闪存和 EEPROM 必须在某一时刻为存储器擦除一个数据块并对其进行编程。因此，要改变单比特系统标识，就必须从闪存读取 256 字节的整个块，擦除该块并重新为其写回数据。利用 FRAM，开发人员可对全部存储器进行比特级访问。

最后，由于 EEPROM 与闪存的读取、擦除和写入序列，开发人员必须使用冗余存储器块对数据进行镜像，以确保潜在电源损耗过程中的数据完整性。可通过使用片上电容器，用 FRAM 提供写入操作担保，来确保有足够的电源完成当前写入工作。由于 FRAM 写入的极快速度与更低电流，电容器可以非常小，小得无需镜像便可集成在 MCU 上。

图 5：TI MSP430FR59xx MCU 中的 FRAM 为无线固件升级提供电源管理优势

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