PCI加密卡硬件设计分析论文

摘要：介绍基于PCI总线加密卡的硬件组成部分。该加密卡汲取了现代先进的加密思想，实现了高强度加密功能。

关键词：加密卡PCI总线PCI9052ISP单片机

加密是对软件进行保护的一种有效手段。从加密技术的发展历程及发展趋势来看，加密可大体划分为软加密和硬加密两种。硬加密的典型产品是使用并口的软件狗，它的缺点是端口地址固定，容易被逻辑分析仪或仿真软件跟踪，并且还占用了有限的并口资源。笔者设计的基于PCI总线的加密卡具有以下几个优点：第一，PCI总线是当今计算机使用的主流标准总线，具有丰富的硬件资源，因此不易受资源环境限制；第二，PCI设备配置空间采用自动配置方式，反跟踪能力强；第三，在PCI扩展卡上易于实现先进的加密算法。

1总体设计方案

基于PCI总线的加密卡插在计算机的PCI总线插槽上（5V32Bit连接器），主处理器通过与加密卡通信，获取密钥及其它数据。加密卡的工作过程和工作原理是：系统动态分配给加密卡4字节I／O空间，被加密软件通过驱动程序访问该I／O空间；加密卡收到访问命令后，通过PCI专用接口芯片，把PCI总线访问时序转化为本地总线访问时序；本地总线信号经过转换处理后，与单片机相连，按约定的通信协议与单片机通信。上述过程实现了主处理器对加密卡的访问操作。

图1硬件总体设计方案

下面以主处理器对加密卡进行写操作为例，阐述具体的实现方法。加密卡采用PLX公司的PCI9052作为PCI总线周期与本地总线周期进行转换的接口芯片。PCI9052作为PCI总线从设备，又充当了本地总线主设备，对其配置可通过EEPROM93LC46B实现。主处理器对加密卡进行写操作，PCI9052把PCI总线时序转化为8位本地数据总线写操作。这8位本地数据总线通过Lattice公司的ispLSI2064与单片机AT89C51的P0口相连，2064完成PCI9052本地总线与AT89C51之间的数据传输、握手信号转换控制等功能。2064对8位本地数据总线写操作进行处理，产生中断信号。该中断信号与AT89C51的INT0＃相连，使AT89C51产生中断。AT89C51产生中断后，检测与其P2口相连的本地读写信号WR＃、RD＃、LW／R＃。当WR＃为低电平、LW／R＃为高电平时，AT89C51判断目前的操作是否为写操作。确认是写操作后，AT89C51把P0口上的8位数据取下来，然后用RDY51＃（经2064转换后）通知PCI9052的LRDYi＃，表明自己已经把当前的8位数据取走，可以继续下面的工作。PCI9052收到LRDYi＃有效后，结束当前的8位数据写操作。PCI总线的一次32位数据写操作，PCI9052本地总线需要四次8位数据写操作，通过字节使能LBE1＃、LBE0＃区分当前的8位数据是第几个字节有效。

加密卡硬件总体设计方案如图1所示。

2硬件各组成部分说明

2．1PCI9052部分

PCI9052是PCI总线专用接口芯片，采用CMOS工艺，160引脚PQFP封装，符合PCI总线标准2．1版。其总线接口信号与PCI总线信号位置对应，因此可直接相连，易于PCB实现。PCI9052的最大数据传输速率可达132MB／s；本地时钟最高可至40MHz，且无需与PCI时钟同步；可通过两个本地中断输入或软件设置产生PCI中断。它支持三种本地总线工作模式，实际设计采用地址和数据线非复用、8位本地数据总线、非ISA模式。

PCI9052内部有一个64字节PCI配置空间，一个84字节本地配置寄存器组。对PCI9052的配置可由主机或符合3线协议的串行EEPROM完成（注：ISA模式必须由串行EEPROM完成配置）。实际设计采用Microchip公司的93LC46B存放配置信息。系统初始化时，自动将配置信息装入PCI9052，约需780μs。如果EEPROM不存在或检测到空设备，则PCI9052设置为默认值。

在设计中，EEPROM用到的配置项目有：设备ID：9050；厂商ID：10B5；分类代码：0780；子系统ID：9050；子系统厂商ID：10B5；支持INTA＃中断，PCI3C：0100；分配4字节本地I／O空间：（例LAS0RR）0FFFFFFD；其它本地地址空间未使用：00000000；4字节本地I／O空间基地址（模4对齐）：（LAS0BA）01200001（仅为示例）；4字节本地I／O空间描述符：（LAS0BRD）00000022（非猝发、LRDYi＃输入使能、BTERM＃输入不使能、不预取、各内部等待状态数均为0、8位本地数据总线宽度、小Endian模式）；中断控制／状态，Local4C：00000143（LINTi1使能、LINTi1边沿触发中断选择使能、LINTi2不使能、PCI中断使能、非软件中断、ISA接口模式不使能）；UserI／O、从设备应答、串行EEPROM、初始化控制，Local50：00024492。有两点要注意：一是设计中采用PLX公司推荐使用的串行EEPROM93LC46B按字（16bit）为单位组织；二是EEPROM开发器编辑输入与手工书写的顺序对应关系，以厂商ID：10B5为例，在开发器编辑输入的是b510，而不是10B5。

PCI9052本地信号的含义是：LAD[7．．0]：本地8位数据总线；WR＃：写有效；RD＃：读有效；LW／R＃：数据传输方向，高电平为写操作，低电平为读操作；LBE1＃和LBE0＃：字节使能，表明当前LAD[7．．0]上的数据是第几个字节（0到3）；BLAST＃：PCI9052写数据准备好或读数据已取走；LRDYi＃：外部设备（此设计指单片机）已把PCI9052写操作数据取走或读操作数据准备好；LINTi1：外部设备通过LINTi1向主机发送INTA＃中断，当单片机验证密钥正确，向主处理器发送请求，表明可以开始从中读取相关数据。

需注意的是，PCI9052在使用时，某些引脚要加阻值为1kΩ～10kΩ的下拉或上拉电阻。因此在实现时，给MODE、LHOLD、LINTi1引脚加下拉电阻，CHRDY、EEDO、LRDYi＃引脚加上拉电阻。

图2PCI9052本地写时序

以主处理器向单片机写数据为例，图2给出了PCI9052的本地写时序。

2．2ispLSI2064部分

为降低数据被解析的风险，应尽量减少使用分离元件。因此在设计中选用了Lattice公司的CPLDispLSI2064。该芯片采用EECMOS技术，100引脚TQFP封装，拥有2000个PLD门，64个I／O引脚另加4个专用输入，64个寄存器，3个全局时钟，TTL兼容的输入输出信号。2064具有在系统可编程ISP（In－SystemProgrammable）功能，可方便实现硬件重构，易于升级，降低了设计风险，并且安全性能高。PCI9052与单片机之间的8位数据线进行双向数据传输，不能简单地直接相连，需要进行传输方向控制和数据隔离。故用2064作为PCI9052本地信号与单片机信号进行信号传递的接口，图3给出了8位数据信号双向传输的原理图。2064的开发软件ispDesignExpert8．2版支持VHDL、VerilogHDL、Abel等语言及原理图输入，且通过专用下载电缆可把最终生成的JEDEC文件写入2064，实现编程。在设计时采用了原理图输入的方法。

原理图中用到的BI18的功能描述为：当OE＝1时，XB为输出，A为输入，即XB＝A；当OE＝0时，XB为输入，Z为输出，即Z＝XB。FD28的功能描述为：8位D触发器（带异步清除）。结合PCI9052本地读写时序，可以分析得出，在进行读写操作时，图3实现了LAD[7．．0]与D[7．．0]之间正常的数据传输；在非读写时，双方数据处于正常隔离状态。

2．3单片机AT89C51部分

单片机采用ATMEL公司的AT89C51。这是一个8位微处理器，采用CMOS工艺，40引脚DIP封装。它含有4K字节Flash和128字节RAM，且自身具有加密保护功能。单片机不进行外部存储器和RAM的扩展，程序存储和运行均在片内完成，有效地保证了加密强度。

图3LAD[7..0]与D[7..0]之间的数据传输

单片机的P0口接图3的D[7．．0]，并加10kΩ的上拉排阻。WR＃、RD＃、W／R＃、BE1＃、BE0＃作为单片机输入信号接P2口。PCI9052写数据准备好或读数据已取走信号REQ9052＃作为单片机输入信号接P3．2（INT0＃);写数据单片机已取走或读数据单片机准备好信号RDY51＃作为单片机输出信号接P1．0;接P1．1的OVER51＃作为单片机输出信号，经2064接PCI9052的LINTi1，通过LINTi1向主机发送INTA＃中断请求。

基于PCI总线的加密卡，依照PCI总线标准2．1版，通过动态分配4字节I／O空间，实现主处理器与卡上单片机之间的握手通信。被加密软件通过访问加密卡，获取软件正常执行的相关权限。在加密卡不存在的情况下，被加密软件因得不到相关授权而无法运行，从而实现了加密功能。在单片机的存储器里，除了存放密钥之外，设计者还可以把被加密软件的部分程序、算法或常数写入单片机的存储器，在加密卡不存在的情况下，被加密软件的功能是不完整的，从根本上防止了软件破解。