用单片机实现SRAM工艺FPGA的加密应用

5 单片机验证伪码的程序

在位寻址区（20H～2FH）定义了字节变量WORD1、WORD2、WORD3、WORD4、WORD5，用来存储移位寄存器的40个状态。其中Q0对应WORD1.0，Q1对应WORD1.1……Q39对应WORD5.7。同时，在位寻址区定义了WORD6、WORD7、WORD8、 WORD9，用来进行后面的反馈逻辑计算。

单片机一上电，首先将ASET脚清零，同时，也将PNMA脚清零，将初值55H作为移位寄存器的初始状态，接着完成FPGA的上电配置工作。配置完成后，单片机检测来自FPGA的外部中断CONFDONE。如果配置完成，CONFDONE为高电；否则，为低电平。在检测到CONFDONE为高电平，即配置完成后，单片机将ASET脚置为1，使能FPGA内的伪码发生电路工作，单片机产生伪随机码的流程。配置完成后，首先将Q0输出到PNMA引脚，接着计算反馈逻辑输入，将参与反馈运算的几个状态运算结果存在中间变量MID_VARY中。然后，对各个状态进行右移，为了提高运算效率，使用了带进位C的字节循环右移指令。移位完成后，将MID_VARY存入Q39，再将新的Q0输出到PNMA引脚，程序循环执行产生伪随机码。

单片机核心源程序如下：
CLR ASET ；单片机上电后将ASET位清0
CLR PNMA
MOV WORD1，#55h
MOV WORD2，#0
MOV WORD3，#0
MOV WORD4，#0
MOV WORD5，#0；将55H作为移位寄存器的初值PEIZHI：
…… ；进行FPGA的配置工作
JB CONFDONE，PNPRODUCE；根据CONFDONE判断配置是否完成
LJMP PEIZHI ；否则继续配置
PNPRODUCE：SETB ASET ；配置完成后，将ASET脚置1
XMQLOOP：MOV C，Q0
MOV PNMA，C ；将Q0输出到PNMA引脚，作为PN码
MOV C，Q0
MOV WORD6.0，C ；用WORD6单元的0位来存Q0的状态
MOV C，Q2
MOV WORD7.0，C ；用WORD7单元的0位来存Q2的状态
MOV C，Q21
MOV WORD8.0，C ；用WORD8单元的0位来存Q21的状态
MOV C，Q23
MOV WORD9.0，C ；用WORD9单元的0位来存Q23的状态
MOV ACC，WORD6
XRL A，WORD7
XRL A，WORD8
XRL A，WORD9 ；通过异或指令，计算反馈逻辑
MOV C，ACC.0 ；反馈逻辑为Qin=Q0
；XOR Q2 XOR Q21 XOR Q23
MOV MID_VARY，C ；将运算后的状态存到MID_VARY中右移运算
MOV ACC，WORD1
RRC A ；移位Q7～Q0
MOV WORD1，A ；移位后，保存到WORD1单元中
MOV ACC，WORD2
RRC A ；移位Q15～Q8
MOV WORD2，A ；移位后，保存到WORD2单元中
MOV Q7，C ；将Q8的值赋到Q7
MOV ACC，WORD3
RRC A ；移位Q23～Q16
MOV WORD3，A ；移位后，保存到WORD3单元中
MOV Q15，C ；将Q16的值赋到Q15
MOV ACC，WORD4
RRC A ；移位Q31～Q24
MOV WORD4，A ；移位后，保存到WORD4单元中
MOV Q23，C ；将Q24的值赋到Q23
MOV ACC，WORD5
RRC A ；移位Q39～Q32
MOV WORD5，A ；移位后，保存到WORD5单元中
MOV Q31，C ；将Q32的值赋到Q31
MOV C，MID_VARY ；将前面反馈计算的值赋给Q39
MOV Q39，C
LJMP XMALOOP ；继续产生下一代PN码元



6 其它加密方法介绍及比较

对SRAM工艺的FPGA进行加密，除了可以利用单片机实现外，还可以用E2PROM工艺的CPLD实现。与用单片机实现相比，利用CPLD的优点在于可实现高速伪码，但要在硬件电路中增加一块CPLD芯片，使整个硬件电路复杂化，增加了成本。本文提供的加密方法考虑到配置完成后单片机处于空闲状态，此时利用单片机进行加密，不需要增加任何电路成本，使得整个系统硬件结构十分简洁。本文提出采用长伪随机码来实现加密。如果采用其它的算法产生验证信息，并增加单片机与FPGA工作时信息实时交互，使得获取验证信息的难度足够大，也可以达到类似的加密效果。

参考文献

   1. 宋万杰 CPLD技术及其应用 1999
   2. 候伯亭.顾新 VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计 1999
   3. 蔡美琴.张为民.沈新群 MCS-51系列单片机系统及其应用 1992
   4. 沈允春 扩谱技术 1995
   5. Ray Schouten A Whitepaper on SRAM FPGAsecurity
   6. 刘晓明.王军.谢明钦 基于单片机的复杂可编程逻辑器件快速配置方法 [期刊论文] -电子技术应用2002(10)
   7. 屈代明 可编程数字逻辑器件中数字锁相环的实现 [期刊论文] -石油仪器2000(2)

作 者：重庆大学 刘晓明 谢明钦 王军   
来 源：单片机与嵌入式系统应用2003（7）