淺析FPGA設(shè)計(jì)的安全性

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與開發(fā)成本很高的ASIC相比，FPGA可重復(fù)編程的性能正受到系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的青睞。此外， FPGA的性能和功能也越來越強(qiáng)大，包括32位軟處理器、SERDES、 DSP塊和高性能的接口。現(xiàn)在的低成本FPGA甚至可以滿足大批量的應(yīng)用。設(shè)計(jì)人員采用FPGA能夠快速開發(fā)產(chǎn)品，以應(yīng)對(duì)產(chǎn)品快速上市（市場(chǎng)要求縮短產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間）和遠(yuǎn)程更新的需求。
但是，把器件生產(chǎn)、現(xiàn)場(chǎng)更新和固件遠(yuǎn)程重構(gòu)的工作外包可能會(huì)導(dǎo)致FPGA被復(fù)制、克隆或盜版。這對(duì)某些企業(yè)是個(gè)嚴(yán)重的問題，因?yàn)橛行?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/2562/" target="_blank">算法對(duì)企業(yè)保持競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)是必不可少的，而外包可能使這些算法被別人利用。因此，考慮FPGA設(shè)計(jì)的安全性是一件非常重要的事。
FPGA有兩種類型 ：基于SRAM、需要用外部引導(dǎo)器件配置的易失FPGA，以及將配置保存在內(nèi)存中因而不需要外部引導(dǎo)器件的非易失FPGA?；?SRAM的FPGA是易失器件。如果切斷電源，配置即被刪除，必須對(duì)器件進(jìn)行重新配置，然后器件才能工作。這類器件可以用處理器或使用SPI或并行閃存通過JTAG端口編程。就安全性而言，它們是很脆弱的。一旦系統(tǒng)上電，盜版者就能輕而易舉地獲取FPGA的位流。 Flash和反熔絲FPGA是非易失性的器件，它們上電后即可編程，無需使用任何外部存儲(chǔ)器。這些非易失器件擁有最高級(jí)別的安全性。但是，反熔絲FPGA受到兩個(gè)方面的制約：
1 ）它們不能再次編程。
2 ）它們的性能和內(nèi)存容量有限。而Flash FPGA和SRAM FPGA是可以重復(fù)編程的。
盜版行為分為幾種類型：“克隆”復(fù)制系統(tǒng)元件的行為，甚至不必知道內(nèi)部的邏輯。通過攔截FPGA的位流和復(fù)制配置，可以輕松地克隆一個(gè)低成本SRAM FPGA?！澳嫦蚬こ獭毙枰斫釬PGA的邏輯功能，以便進(jìn)行修改以滿足盜版者的需要。盜版者可以分析無保護(hù)的位流以復(fù)制原先的設(shè)計(jì)，或解剖器件分析其內(nèi)容。還有一個(gè)被廣泛使用的盜版手段是“生產(chǎn)超過客戶訂購量的系統(tǒng)”，然后向市場(chǎng)出售多余的系統(tǒng)，而專利持有者卻無法從中取得收益，沒有任何方法可以阻止不擇手段的分包商這樣做。最后一種盜版方法是“盜竊服務(wù)”，盜版者通過破解系統(tǒng)的安全設(shè)置來獲得特定的服務(wù)，如收看衛(wèi)星電視節(jié)目。
打擊盜版可以采用多種安全措施，最簡(jiǎn)單的方法的是使用一個(gè)保密位，防止FPGA的配置數(shù)據(jù)被截獲。有了這個(gè)保密位，盜版者如果試圖讀取配置數(shù)據(jù)，讀出的數(shù)據(jù)將全部為零。所有的FPGA都有這種類型的保護(hù)。然而，如果引導(dǎo)文件位于器件的外部，相對(duì)就比較容易復(fù)制配置，標(biāo)準(zhǔn)的SRAM FPGA就是這種情況 。如果配置數(shù)據(jù)是在器件內(nèi)部，如非易失FPGA ，保密位就會(huì)有很好的保密效果。
與反熔絲FPGA不同 ，SRAM FPGA和Flash FPGA是可重復(fù)編程的，它們?cè)试S用戶調(diào)整設(shè)計(jì)或賦予FPGA一個(gè)全新的功能。此外，現(xiàn)在甚至可以遠(yuǎn)程修改FPGA配置文件，從而修改系統(tǒng)。雖然重構(gòu)對(duì)某些應(yīng)用來說是個(gè)優(yōu)點(diǎn)，但它也可能成為一個(gè)安全隱患，因?yàn)楸I版者可能攔截并獲取新的碼流。不過這可以通過在傳輸時(shí)保護(hù)位流來解決。
雖然Flash FPGA比SRAM FPGA更安全 ，它們也有缺點(diǎn)。它們的密度和存儲(chǔ)容量有限，功能和I/O的速度也有限。
針對(duì)這些缺點(diǎn)，萊迪思半導(dǎo)體公司已經(jīng)開發(fā)出一種創(chuàng)新的技術(shù)，它結(jié)合了以下兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：
* 性能和存儲(chǔ)器容量較大的低成本SRAM
* 可以內(nèi)部存儲(chǔ)重構(gòu)數(shù)據(jù)的Flash
萊迪思獨(dú)特的flexiFLASH技術(shù)，將SRAM和Flash整合在同一個(gè)FPGA中，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：
* 位流配置
* 以最短的系統(tǒng)中斷時(shí)間進(jìn)行遠(yuǎn)程重新配置
* 數(shù)據(jù)保護(hù)和器件加鎖
復(fù)雜系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)安全性
工程師正面臨著構(gòu)建日益復(fù)雜的系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。
圖1展示了一個(gè)FPGA與微處理器相連的系統(tǒng) 。微處理器通過一個(gè)外部PHY和一個(gè)集成在FPGA內(nèi)的MAC 與以太網(wǎng)連接。與競(jìng)爭(zhēng)者的產(chǎn)品不同，這個(gè)微處理器中還包含用戶邏輯。 FPGA通過一個(gè)Flash來配置。Flash和RAM中包含有微處理器的程序和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。如果系統(tǒng)需要更新，就通過以太網(wǎng)來發(fā)送數(shù)據(jù)。為了保護(hù)設(shè)計(jì)， FPGA數(shù)據(jù)和位流都經(jīng)過了加密。但是，發(fā)送到微處理器的數(shù)據(jù)和指令未加擾，因此盜版者能夠查看此數(shù)據(jù)并加以復(fù)制。一種可能的解決辦法是在FPGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟微處理器，它可以訪問FPGA的內(nèi)部存儲(chǔ)器組，而從外部卻無法看到存儲(chǔ)器組。這些存儲(chǔ)器組可以用來存儲(chǔ)重要的算法和數(shù)據(jù)。

圖1 FPGA與微處理器相連的系統(tǒng)
圖2展示了同一個(gè)設(shè)計(jì)，但處理器集成在FPGA之中。圖2中采用的軟微處理器是LatticeMico32 。設(shè)計(jì)師構(gòu)建了解擾器，因此加擾是機(jī)密的。使用解擾器允許加密的指令存儲(chǔ)在外部存儲(chǔ)器。為了加密位流，萊迪思為幾款FPGA提供了128位AES密鑰。

圖2 處理器集成在FPGA之中
首先，工程師應(yīng)用萊迪思的軟件設(shè)計(jì)工具套件ispLEVER （ 7.0或更高版本）開發(fā)FPGA代碼，完成綜合、映射、布局布線和仿真后，產(chǎn)生位流，經(jīng)最后驗(yàn)證后再用ispVM系統(tǒng)（ 萊迪思的編程工具）對(duì)電路板編程。當(dāng)設(shè)計(jì)師對(duì)系統(tǒng)的功能感到滿意時(shí)，此時(shí)就要來做保護(hù)設(shè)計(jì)的工作?？梢杂萌R迪思的ispLEVER工具或萊迪思的編程工具ispVM System對(duì)位流加密，用戶可選擇128位密鑰。編碼的位流可以是十六進(jìn)制（從0至F ，不區(qū)分大小寫）或一個(gè)ASCII密鑰（可用所有字母數(shù)字字符和空格，大小寫敏感），然后使用任何非加密的文件編碼將該位流加載到配置存儲(chǔ)器中。

圖3 用128位AES密鑰保護(hù)設(shè)計(jì)
現(xiàn)在密鑰應(yīng)該已經(jīng)保存在一個(gè)可編程存儲(chǔ)區(qū)。編程是通過器件的JTAG端口進(jìn)行。應(yīng)該注意到，用密鑰對(duì)位流加了密，現(xiàn)在只能通過加密的位流對(duì)FPGA進(jìn)行配置。用sysCONFIG接口或JTAG接口可以對(duì)萊迪思的FPGA進(jìn)行編程。該sysCONFIG接口可以讓用戶使用集中配置模式，或Flash SPI ，或以并行的方式使用并行配置模式重新輸入數(shù)據(jù)。符合IEEE 1149.1和IEEE 1532標(biāo)準(zhǔn)的JTAG端口允許以突發(fā)位流（或快速編程）模式、或用1532模式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編程。JTAG端口用來對(duì)器件中的AES 128位密鑰編程。不需要用特別的模式來保存FPGA中的128位密鑰。
在萊迪思的FPGA中使用一個(gè)編碼位流可以防止器件的配置被重新讀取，但需要一些措施來確保配置能夠正確地運(yùn)作。位流未加密時(shí)，F(xiàn)PGA執(zhí)行CRC操作。如果程序不正確，DONE信號(hào)保持在0，INITN變?yōu)? 。用戶仍然可以訪問JTAG Usercode寄存器。對(duì)FPGA的位流譯碼時(shí)，它存儲(chǔ)位流用戶碼，用來存放FPGA應(yīng)用程序的版本號(hào)。
圖4展示了加密位流的數(shù)據(jù)路徑。當(dāng)數(shù)據(jù)進(jìn)入FPGA時(shí)，解碼器讀引導(dǎo)程序，前面所有的數(shù)據(jù)被忽略。即使解碼器檢測(cè)到加密的文件，如果FPGA的密鑰未被編程，數(shù)據(jù)則被阻止，DONE信號(hào)保持在‘0 ’ （表示配置失敗） 。如果密鑰已被編程，F(xiàn)PGA檢查引導(dǎo)程序，指出后面所有的數(shù)據(jù)應(yīng)通過解碼器。然后FPGA檢查標(biāo)準(zhǔn)引導(dǎo)程序，得知數(shù)據(jù)是否已被壓縮。如果數(shù)據(jù)沒有被壓縮，則將它直接發(fā)送到解碼單元。如果數(shù)據(jù)已壓縮，就先把它送到解壓縮引擎，然后再送到解碼單元。一旦通過CRC校驗(yàn)，即對(duì)SRAM進(jìn)行編程。DONE位被激活時(shí)，解壓縮和譯碼擎不工作，允許其它JTAG鏈元件接收配置數(shù)據(jù)。

圖4 加密位流的數(shù)據(jù)路徑
萊迪思的經(jīng)濟(jì)型ECP2/M FPGA擁有位流加密功能，內(nèi)置閃存的非易失LatticeXP2 FPGA也有此功能。LatticeXP2 FPGA把SRAM映射合并入同一塊芯片，設(shè)計(jì)和含有位流配置的Flash映射都在此芯片上工作。當(dāng)設(shè)計(jì)師重點(diǎn)關(guān)注電路板的面積和快速啟動(dòng)時(shí)間時(shí)，這類器件特別有用。
1 內(nèi)置閃存的FPGA
非易失FPGA提供額外的Flash保護(hù)安全功能，可以防止內(nèi)存因意外或未經(jīng)授權(quán)的操作被擦除或重新編程。Flash保護(hù)功能采用64位密鑰。
對(duì)器件進(jìn)行刪除或重新編程時(shí)， ispVM System會(huì)核查Flash是否被保護(hù)。如果是，就要求用戶輸入64位密鑰，然后ispVM檢查這個(gè)密鑰是否與存儲(chǔ)在器件中的密鑰一致，如果一致就執(zhí)行操作。但是，如果丟失了密鑰，器件就再也不能被擦除了。
這些安全性措施不僅保護(hù)了用戶電路板上的設(shè)計(jì)，而且也防止了試圖修改系統(tǒng)功能的盜版行為。這些功能還有助于遠(yuǎn)程的系統(tǒng)更新。萊迪思FPGA提供這一功能，使用戶可以通過對(duì)FPGA重復(fù)編程來更新他們的系統(tǒng)，而不會(huì)中斷它與周圍元件的聯(lián)系。此功能被稱為TransFR 。
FPGA最值得注意的的特點(diǎn)是設(shè)計(jì)人員很容易對(duì)器件進(jìn)行重構(gòu)。但是，重構(gòu)通常意味著系統(tǒng)要中斷很長(zhǎng)時(shí)間。但是，萊迪思開發(fā)的TransFR技術(shù)將重構(gòu)的影響降至最低。萊迪思的幾個(gè)FPGA系列都支持TransFR技術(shù)，包括那些含有內(nèi)置閃存的器件，如MachXO 、LatticeXP和LatticeXP2 ，以及像LatticeECP2 /M那樣的SRAM FPGA。

圖5 用最短的中斷系統(tǒng)時(shí)間進(jìn)行遠(yuǎn)程更新
TransFR是一種同時(shí)使用基本任務(wù)編程和邊界掃描單元的技術(shù)?；救蝿?wù)編程修改非易失存儲(chǔ)器的內(nèi)容（內(nèi)部的或外部的） ，以便使FPGA的SRAM部分繼續(xù)工作。萊迪思的FPGA擁有可以取樣和預(yù)加載的邊界掃描單元，可以在編程時(shí)控制FPGA的I/O。

圖6 執(zhí)行TransFR的4個(gè)步驟
執(zhí)行TransFR的4個(gè)步驟：
1，進(jìn)行基本任務(wù)編程。系統(tǒng)對(duì)FPGA的非易失性存儲(chǔ)器再編程，但不會(huì)中斷SRAM的功能。
2，可以鎖定I/O的狀態(tài)，用戶可以保持或預(yù)先確定I/O的狀態(tài)。在整個(gè)重新配置過程中，I/O的值保持不變，以防止系統(tǒng)被關(guān)閉。
3， 接著用JTAG命令把新的配置傳輸至非易失存儲(chǔ)器。一完成對(duì)SRAM就執(zhí)行全局復(fù)位，以便使該器件處于一個(gè)已知的狀態(tài)。然后釋放I/O的狀態(tài)，并再次鎖定PLL。
4，釋放輸出，內(nèi)部邏輯停止對(duì)I/O的監(jiān)測(cè)。
要使用TransFR，需要用到ispLEVER開發(fā)工具和ispVM。
用戶通過使用128位AES密鑰加密文件和Lattice TransFR技術(shù)完成了更新過程，但仍有可能因?yàn)橄到y(tǒng)本身的弱點(diǎn)或違法行為引發(fā)系統(tǒng)故障。雖然FPGA的位流是加密的，但是非法操作或傳輸中的錯(cuò)誤都可能損壞它，從而導(dǎo)致FPGA被阻塞，使系統(tǒng)無法正確地重啟。為了解決這個(gè)問題，萊迪思推出了“雙引導(dǎo) ”功能。
2 雙引導(dǎo)配置
在配置存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)兩個(gè)編程文件。

圖7 雙引導(dǎo)配置
激活PROGRAM引腳或啟動(dòng)JTAG刷新指令后，F(xiàn)PGA下載存儲(chǔ)在Sector 1的位流 。如果CRC出錯(cuò)，F(xiàn)PGA自動(dòng)恢復(fù)到Sector 0配置。Lattice XP2非易失FPGA也有此功能。該Flash元件擁有主動(dòng)配置，還有一個(gè)用來存放安全（ “golden” ）配置的SPI Flash。
萊迪思擁有許多能幫助設(shè)計(jì)人員保障設(shè)計(jì)安全的產(chǎn)品。Lattice ECP2/M FPGA是一款擁有128位AES密鑰的高安全性器件。這些經(jīng)濟(jì)的器件提供了大存儲(chǔ)容量（高達(dá)5.3 Mbit）、高速I/O和SERDES 。非易失性LatticeXP2 FPGA是市場(chǎng)上一款很獨(dú)特的器件，它有著極高的安全性。由于采用了FlexiFlash技術(shù)，位流存儲(chǔ)在器件的Flash中， 并由128位AES密鑰對(duì)它進(jìn)行保護(hù)。此外， TransFR更是保障了絕對(duì)安全的遠(yuǎn)程系統(tǒng)更新。
設(shè)計(jì)的安全性應(yīng)該是設(shè)計(jì)過程的一部分，而不是事后再去考慮。無論選擇了哪種技術(shù)，最重要的是要防止設(shè)計(jì)被篡改，無論這個(gè)篡改行為是無意的還是非法的。

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