基于MEMS强链和FPGA的物理认证系统

4 Altera Cyclone FPGA

Cyclone系列现场可编程门阵列是基于1.5V，O.13μm．全铜互联SRAM T艺，最高内嵌20，060个逻辑单元、最大288 Kbits RAM。内置锁相环和一个专用双倍速率(DDR)界面支持用以双倍速率同步动态随机存储器(DDR SDRAM)和快速循环动态随机存储器(FCRAM，Cyclone可以提供低功耗的数据链路解决方案。cvclone支持多种标准的I/O(输入输出)，支持ASSP和ASIC设备。支持多种IP核。

5 SATA硬盘

SATA，是由Intel、IBM、Dell、APT、Maxtor和Seagate公司共同提出的硬盘接口规范。SATA规范将硬盘的外部传输速率理论值提高到了150MB/s。SATA的优势是支持热插拔，传输速度快，执行效率高等。

热插拔是最希望看到的功能，但是现在的SATA硬盘的热插拔并不是想象中的把硬盘在开机的状态下接入主机，就能正常的传输数据，而是需要启动资源管理器，进行“扫描检测硬件改动”的操作后才能正常识别硬盘盘符。根据这个情况，本文设计了“连接与扫描硬件改动模块”代替手动的“扫描检测硬件改动”操作。该硬盘有数据线和电源线，在开始的时候，只接通电源线，用软件来控制数据线是否连接，当物理认证通过后，主机启动连接和扫面硬件模块，连接上数据线。然后使主机自动枚举检测所有的硬件，看是否有新硬件安装，有就使其正常联接使用。若密码错误，主机不启动该模块，继续保持数据线断开，SATA硬盘还是不可见。

6 软件实现

软件有两部分，首先是上位机控制部分，该部分是用VC++写的上位机窗口对话框和联接控制程序；下位机控制部分主要是本地PCI控制程序、FPGA驱动程序以及MEMS强链控制程序，该部分是用verilog HDL编写，调试成功之后烧写在与FPGA相连的只读存储器EPCS1里面。上位机和下位机的控制程序通过PCI9054有机的联接在一起。

首先用户点击主窗口的用户对话框，在上面的编辑框内输入密码，点击“确认”按钮，主机将数据放在总线上，同时FPGA内部的本地总线控制器不断的检测ADS信号，BLAST信号，LWR读写信号信号，和LA[3l：2]地址总线信号，当他们满足写有效时，表明FPGA可以接收数据，于是数据通过本地总线将密码数据传到FPCA内部指定的寄存器里面，同时由MEMS控制模块根据所得的密码来控制MEMS强链，若密码与MEMS强链内部结构密码一致，MEMS强链走完全程，FPGA返回八位1(即十进制的255)，接着启动连接和扫描硬件程序扫描硬件，SATA硬盘就被系统识别，所加密硬盘的盘符在我的电脑中显现。如果密码错误的话，MEMS强链被卡死，返回0。为了增加可视化．本地总线控制器当检验到ADS信号，BLAST信号，LWR信号．和LA[3l：2]读有效时将返回值返回到主窗口的“返回值”编辑框中。

当输入正确的密码，这里我们设置的正确密码是12345678，上位机先把密码传如到下位机存储起来，时序图见图4，ld数据总线上的数据是12345678，当密码与固化的密码比较以后，正确的话返回255，如图5所示。


图4 写入正确密码仿真时序图


图5 正确密码返回值的仿真时序图

7 结束语

该系统已经初步实现了主机、硬盘、FPGA之间的控制信号、应答信号、读写信号，及这些信号协调工作完成安全认证和加密的工作机理和硬件实现技术方案。该系统基于先进的FPGA芯片和特有的MEMS强链，利用PCI接口进行通信。这样可以把整个系统做成一个小巧的认证卡装在主机上，使系统美观，便于携带。

本文的创新点：l、将密码转换为MEMS强链的内部结构实现真正的物理加密；2、利用PCI接口实现主机与FPGA的数据交换，速度更快，稳定性更好；3、利用FPGA和MEMS驱动电路来控制MEMS强链．可靠性高。

作者：许鹏，张卫平，陈文元      来源：《微计算机信息》(嵌入式与soc)2009年第5-2期