基于1-Wire总线的DS28E01加密芯片原理研究及其在FPGA加密系统中的应用

不同速率通信：标准速率和高速模式。如果没有明确设定为高速模式，DS28E01就以标准速率通信。高速模式下，所有波形均采用快速定时。启动与DS28E01的任何通信都需要初始化过程。

3.3 1-Wire总线上的DS28E01加密指令说明

DS28E01提供7条ROM指令和9条MEM指令，在FPGA加密系统中一般只用到几条就够了。

根据FPGA加密原理所述，FPGA中SHA-1引擎所使用的密钥是由设计者预先配置好的，DS28E01中的密钥也是由设计者在出厂前通过烧写器写好的。为了完成加密过程，FPGA中的SHA-1引擎只需要对DS28E01进行3个操作过程即可：1)写随机数，2)读DS28E01器件ID，3)读DS28E01 SHA-1运算结果，即160位的MAC值。

3.3.1 写随机数

指令格式和时序分析波形如图2 所示，FPGA先发送ROM命令码Skip ROM(CCH)，接着发送MEM命令码Write Scratchpad(0F)以及目标地址。

RST为FPGA产生的1-Wire复位脉冲，PD为DS28E01产生的在线应答脉冲，Select是ROM功能命令，WSP为MEM功能命令，TA是目标地址TA1和TA2，之后为要写入的64位随机数，之后是从Select命令到随机数所有字节的8位的CRC16校验值的反码，其后是无效的数据FF。每个字段的数据都是低位在前传输。以下所有命令格式都类似。

1-Wire总线上数据如图中ibo所示,data为将1-Wire总线数据根据协议正序并转成为并行数据，Select=CCh、WSP=0Fh，TA=8000h，64位随机数为40h、70h、BEh、3Dh、78h、95h、F7h、D8h，8位CRC16校验的反码为85h。

3.3.2 读DS28E01器件ID

指令格式和时序分析波形如图3 所示，FPGA发送ROM命令码Read ROM(33H)，此条命令允许主机读取DS28E01的八位家族码，48位唯一序列号和8位CRC校验码。

1-Wire总线上数据根据协议被正序并行化后在图3波形中显示为：Select=33h、8位家族码为2Fh、48位唯一的器件ID=00000022FCD0h，8位CRC16校验的反码=99。

3.3.3 读160位MAC码

指令格式和时序分析波形如图4 所示。 FPGA先发送ROM命令码Skip ROM(CCH)，接着发送MEM命令码Write Scratchpad(A5)以及目标地址，之后，FPGA将接收DS28E01中从目标地址开始到数据页末尾存储器页中数据，一个FFh 字节和CRC反码。 CRC校验码接收完毕后，FPGA等待一段时间。此时， DS28E01中的SHA 引擎利用相同的密钥、随机数、附加数据及器件识别号来计算160位的MAC。等待SHA-1运算周期结束后，就可读到160位MAC，随后是CRC反码。如果在CRC 校验码后主机继续读取数据，将会到读到无效数据AAh。

从图4中我们可以看到，当读到AAh时，FOE=0，这表明加密芯片计算的MAC值与FPGA中SHA-1引擎计算的MAC值一致。用户设计将开始工作，至此加密过程全部结束。

　　5 FPGA验证和结论

本加密系统在Xilinx公司 Spartan-6的XA6SLX45-3上进行了FPGA验证。FPGA中的SHA-1引擎采用了Xilinx公司提供的免费IP。采用Verilog语言完成了1-Wire总线的相关分析功能的设计。调试中使用了Xilinx公司的硬件Debug软件ChipScope，抓出了1-Wire总线的相关波形，完成了时序分析。最后该加密系统成功应用于西安某知名IC设计公司的一款FPGA推广产品中。可以看出，在IC设计竞争日益强烈的今天，利用FPGA加密系统来保护知识产权，为公司产品抢占市场先机是IC设计的必由之路。

　　参考文献：

[1]DS28E01-100 带SHA-1引擎保护的1K位1-Wire EEPROM[R/OL].www.maxim-ic.com.cn

[2]张斌，徐名扬.SHA-1算法及其在FPGA加密认证系统中的应用.中国集成电路,2011(6)

[3]杨春林,张春雷,高山,等.基于DS28E01的FPGA加密认证系统的设计.微计算机信息，2009(23)

[4]刘军志,黄进.基于DS2432和FPGA的IFF加密方法.微计算机信息[J],2007(7):201-202

[5]伍家满,虞礼贞,刘小燕,等.基于1-Wire接口的总线技术即其应用,南昌大学学报,2005,27(1)