基于計算機總線的CPLD加密電路

本文采用計算機ISA、PCI總線和打印機接口設計加密電路。利用CPLD設計電路，具有加密性能好的特點。通過串行EEPROM AT93C46設計一個并行加密電路，密碼存儲在電路器件中。ISA總線直接對CPLD進行讀取密碼。PCI總線可以通過W89C940af對CPLD操作，讀取設置密碼。
關鍵詞：計算機；加密電路；ISA和PCI總線
引言
計算機硬件技術在不斷進步，例如CPU的運行速度由初期的2~16MHz，到如今的1GHz以上，內存由原來的1Mbit到現(xiàn)在的256~512Mbit，這些都給軟件運行提供了良好的環(huán)境，同時也帶動了計算機軟件行業(yè)的大力發(fā)展。
隨著軟件產品的廣泛應用，對軟件的知識產權保護也開始重要。軟件產品通過系列號碼加密，每一個軟件均有唯一的產品系列號碼。軟件產品配置加密電路板后，軟件產品和該產品軟件加密板同時售出，用戶在使用時一套軟件要配備一塊加密板，通過控制加密板，就可以保證軟件產品安全。

計算機訪問外部設備地址
計算機系統(tǒng)是通過主板上的I/O接口地址來實現(xiàn)訪問外部設備的。例如，讀取硬盤中的數(shù)據是通過直接訪問1F0~1F7H的接口地址，也就實現(xiàn)了訪問硬盤的操作。當鼠標器連接到串行口COM2時，計算機在上電復位時自動啟動鼠標的串行通訊功能。計算機的系統(tǒng)接口地址如表1所示，在表中簡要介紹了主要的系統(tǒng)地址，還有一些接口地址未列入其中，其中并行接口LPT1和LPT2為專用打印機使用，地址分別是278~27FH、378~37FH。計算機接口被不斷的開發(fā)，并行接口已經有了更多的用途。

基于ISA總線的加密電路
利用計算機ISA總線設計一個密碼電路，可以實現(xiàn)加密的目的。ISA總線加密電路如圖1所示，利用Xilinx等公司可編程邏輯器件(CPLD)可以設計一組加密電路。在電路中，IC1 是Xilinx公司的可編程邏輯器件XC9572，有84個引腳，其中可作為I/O的有68個引腳，內部有1600個邏輯門，72個宏單元，響應速度7~15ns。P1是ISA總線引腳。D0~D7是計算機訪問外部設備的8位數(shù)據總線，a0~a19是訪問外部設備的20條地址總線，ior是讀外部設備數(shù)據信息的讀選通線，iow是向外部設備發(fā)送信息或命令的寫選通線，rst是計算機的復位線，在復位時，加密卡與計算機同時復位。
將ISA總線的地址a(19,0)、ior、iow和aen經過譯碼作為片選、時鐘，對一組觸發(fā)器電路進行操作，就能夠讀取密碼數(shù)據。在選擇地址時，a(10)~a(19)為空，既隨機狀態(tài)。加密電路地址可以選擇打印機接口地址278H、279H、27AH。例如選擇278H，在加密電路中，通過地址278H讀取一組低8位數(shù)據D(7,0)，就能夠作為軟件運行的密碼，控制軟件是工作還是退出。在圖中，利用Xilinx公司的Project Navigator軟件設計了一組只讀八-D觸發(fā)器電路，并將觸發(fā)器的輸入端A1、A2、A4、A5、A8設置為“1”電平，把A3、A6、A7設置為“0”電平，當讀取觸發(fā)器時有恒定數(shù)據9BH，此數(shù)據即為密碼。
其中ISA總線的選通278H地址的邏輯公式是：
G1 = "a<3>" * "a<4>" * "a<5>" * "a<6>" * /"a<7>" * /"a<8>" * /"a<9>" * /"a<0>" * /"a<1>" * /"a<2>" */aen */ ior (1)

基于PCI總線的加密電路
計算機的PCI總線被普遍應用，一些速度快、內存容量大的新型計算機主板已經以PCI總線為主。PCI總線的特點是體積小，速度快。設計計算機的板卡利用PCI總線是大勢所趨。利用PCI總線設計加密電路如圖2所示。電路中利用了華邦(Winband)公司生產的計算機PCI總線接口電路W89C940，最大運行速度是10MS。PCI總線與ISA總線在工作原理上有所區(qū)別。PCI總線卡必須擁有驅動程序，不同功能的計算機卡的驅動程序也不相同，因此計算機所有的PCI總線電路都必須配備一只串行EEPOAM ，例如AT93C46，用來存放驅動碼。
對圖2中加密電路進行設計時，同樣利用Xilinx公司的Project Navigator軟件設計一組可以寫數(shù)據、再讀數(shù)據的八-D觸發(fā)器電路，得到PCI總線的加密電路如圖3所示。電路的數(shù)據D[7：0]經過輸入緩沖器BUFE8輸入到八-D觸發(fā)器，其控制選通端是IN，當IN信號為“1”時，數(shù)據D[7：0]輸入到觸發(fā)器，并且鎖存數(shù)據；當輸出選通信號OUT為“1”時，輸出數(shù)據Q[7：0]傳輸?shù)紻[7：0]，即讀取八-D觸發(fā)器的數(shù)據。計算機軟件在運行時，通過寫、讀數(shù)據就起到加密的作用。

并行接口的加密電路
并行加密電路的設計都是選用計算機的并行打印機接口。計算機的打印機接口LPT1，數(shù)據傳輸形式、連接器插座等在IEEE1284中有明確的規(guī)定。其主要特性是，數(shù)據傳送總線DB7~DB0，打印機工作忙時，pin1是數(shù)據鎖存信號，pin10是打印機接收數(shù)據。Atmel公司的EEPROM器件AT93C46，具有比較低的工作電流，所以將其正電源VCC連接到ERR端。其工作方式是首先輸入控制字，讀取數(shù)據就寫入讀控制字，寫器件就寫入寫控制字，之后才能讀或寫16位(16bit)數(shù)據。讀操作過程是，寫入讀控制字，寫入7位(7bit)地址，接下來就可以在輸出端接收數(shù)據，每當輸入一個時鐘，就有一位(1bit)輸出，輸出16位后自動結束。打印機接口的加密電路可以設計許多種方式，例如；時間電路，寫入電路的數(shù)據與讀出數(shù)據的時間相關。

結語
經過實際設計證明，基于計算機總線設計加密電路的方法，方便實用。這種方法的結構簡單，利用CPLD設計加密電路方便可行，能夠比較好地實現(xiàn)加密功能。計算機加密電路的設計有多種方法，各種方法具有不同的優(yōu)缺點。實際上，在電路的設計過程中，可以增加一些邏輯功能用來實現(xiàn)功能加密、工作狀態(tài)加密、實時數(shù)據加密等電路，這樣能夠更好地起到真正加密的作用。

參考文獻
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