浅析FPGA设计的安全性
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与开发成本很高的asic相比，fpga可重复编程的性能正受到系统设计者的青睐。此外， fpga的性能和功能也越来越强大，包括32位软处理器、serdes、 dsp块和高性能的接口。现在的低成本fpga甚至可以满足大批量的应用。设计人员采用fpga能够快速开发产品，以应对产品快速上市（市场要求缩短产品的开发时间）和远程更新的需求。但是，把器件生产、现场更新和固件远程重构的工作外包可能会导致fpga被复制、克隆或盗版。这对某些企业是个严重的问题，因为有些算法对企业保持竞争优势是必不可少的，而外包可能使这些算法被别人利用。因此，考虑fpga设计的安全性是一件非常重要的事。fpga有两种类型 ：基于sram、需要用外部引导器件配置的易失fpga，以及将配置保存在内存中因而不需要外部引导器件的非易失fpga。基于 sram的fpga是易失器件。如果切断电源，配置即被删除，必须对器件进行重新配置，然后器件才能工作。这类器件可以用处理器或使用spi或并行闪存通过jtag端口编程。就安全性而言，它们是很脆弱的。一旦系统上电，盗版者就能轻而易举地获取fpga的位流。 flash和反熔丝fpga是非易失性的器件，它们上电后即可编程，无需使用任何外部存储器。这些非易失器件拥有最高级别的安全性。但是，反熔丝fpga受到两个方面的制约：1 ）它们不能再次编程。2 ）它们的性能和内存容量有限。而flash fpga和sram fpga是可以重复编程的。盗版行为分为几种类型：“克隆”复制系统元件的行为，甚至不必知道内部的逻辑。通过拦截fpga的位流和复制配置，可以轻松地克隆一个低成本sram fpga。“逆向工程”需要理解fpga的逻辑功能，以便进行修改以满足盗版者的需要。盗版者可以分析无保护的位流以复制原先的设计，或解剖器件分析其内容。还有一个被广泛使用的盗版手段是“生产超过客户订购量的系统”，然后向市场出售多余的系统，而专利持有者却无法从中取得收益，没有任何方法可以阻止不择手段的分包商这样做。最后一种盗版方法是“盗窃服务”，盗版者通过破解系统的安全设置来获得特定的服务，如收看卫星电视节目。打击盗版可以采用多种安全措施，最简单的方法的是使用一个保密位，防止fpga的配置数据被截获。有了这个保密位，盗版者如果试图读取配置数据，读出的数据将全部为零。所有的fpga都有这种类型的保护。然而，如果引导文件位于器件的外部，相对就比较容易复制配置，标准的sram fpga就是这种情况 。如果配置数据是在器件内部，如非易失fpga ，保密位就会有很好的保密效果。与反熔丝fpga不同 ，sram fpga和flash fpga是可重复编程的，它们允许用户调整设计或赋予fpga一个全新的功能。此外，现在甚至可以远程修改fpga配置文件，从而修改系统。虽然重构对某些应用来说是个优点，但它也可能成为一个安全隐患，因为盗版者可能拦截并获取新的码流。不过这可以通过在传输时保护位流来解决。虽然flash fpga比sram fpga更安全 ，它们也有缺点。它们的密度和存储容量有限，功能和i/o的速度也有限。针对这些缺点，莱迪思半导体公司已经开发出一种创新的技术，它结合了以下两种技术的优点：* 性能和存储器容量较大的低成本sram* 可以内部存储重构数据的flash莱迪思独特的flexiflash技术，将sram和flash整合在同一个fpga中，可以同时实现以下几个方面的优点：* 位流配置* 以最短的系统中断时间进行远程重新配置* 数据保护和器件加锁复杂系统中的设计安全性工程师正面临着构建日益复杂的系统的挑战。图1展示了一个fpga与微处理器相连的系统 。微处理器通过一个外部phy和一个集成在fpga内的mac 与以太网连接。与竞争者的产品不同，这个微处理器中还包含用户逻辑。 fpga通过一个flash来配置。flash和ram中包含有微处理器的程序和系统的数据。如果系统需要更新，就通过以太网来发送数据。为了保护设计， fpga数据和位流都经过了加密。但是，发送到微处理器的数据和指令未加扰，因此盗版者能够查看此数据并加以复制。一种可能的解决办法是在fpga内实现软微处理器，它可以访问fpga的内部存储器组，而从外部却无法看到存储器组。这些存储器组可以用来存储重要的算法和数据。图1 fpga与微处理器相连的系统图2展示了同一个设计，但处理器集成在fpga之中。图2中采用的软微处理器是latticemico32 。设计师构建了解扰器，因此加扰是机密的。使用解扰器允许加密的指令存储在外部存储器。为了加密位流，莱迪思为几款fpga提供了128位aes密钥。图2 处理器集成在fpga之中首先，工程师应用莱迪思的软件设计工具套件isplever （ 7.0或更高版本）开发fpga代码，完成综合、映射、布局布线和仿真后，产生位流，经最后验证后再用ispvm系统（ 莱迪思的编程工具）对电路板编程。当设计师对系统的功能感到满意时，此时就要来做保护设计的工作。可以用莱迪思的isplever工具或莱迪思的编程工具ispvm system对位流加密，用户可选择128位密钥。编码的位流可以是十六进制（从0至f ，不区分大小写）或一个ascii密钥（可用所有字母数字字符和空格，大小写敏感），然后使用任何非加密的文件编码将该位流加载到配置存储器中。图3 用128位aes密钥保护设计现在密钥应该已经保存在一个可编程存储区。编程是通过器件的jtag端口进行。应该注意到，用密钥对位流加了密，现在只能通过加密的位流对fpga进行配置。用sysconfig接口或jtag接口可以对莱迪思的fpga进行编程。该sysconfig接口可以让用户使用集中配置模式，或flash spi ，或以并行的方式使用并行配置模式重新输入数据。符合ieee 1149.1和ieee 1532标准的jtag端口允许以突发位流（或快速编程）模式、或用1532模式对数据进行编程。jtag端口用来对器件中的aes 128位密钥编程。不需要用特别的模式来保存fpga中的128位密钥。在莱迪思的fpga中使用一个编码位流可以防止器件的配置被重新读取，但需要一些措施来确保配置能够正确地运作。位流未加密时，fpga执行crc操作。如果程序不正确，done信号保持在0，initn变为0 。用户仍然可以访问jtag usercode寄存器。对fpga的位流译码时，它存储位流用户码，用来存放fpga应用程序的版本号。图4展示了加密位流的数据路径。当数据进入fpga时，解码器读引导程序，前面所有的数据被忽略。即使解码器检测到加密的文件，如果fpga的密钥未被编程，数据则被阻止，done信号保持在‘0 ’ （表示配置失败） 。如果密钥已被编程，fpga检查引导程序，指出后面所有的数据应通过解码器。然后fpga检查标准引导程序，得知数据是否已被压缩。如果数据没有被压缩，则将它直接发送到解码单元。如果数据已压缩，就先把它送到解压缩引擎，然后再送到解码单元。一旦通过crc校验，即对sram进行编程。done位被激活时，解压缩和译码擎不工作，允许其它jtag链元件接收配置数据。图4 加密位流的数据路径莱迪思的经济型ecp2/m fpga拥有位流加密功能，内置闪存的非易失latticexp2 fpga也有此功能。latticexp2 fpga把sram映射合并入同一块芯片，设计和含有位流配置的flash映射都在此芯片上工作。当设计师重点关注电路板的面积和快速启动时间时，这类器件特别有用。1 内置闪存的fpga非易失fpga提供额外的flash保护安全功能，可以防止内存因意外或未经授权的操作被擦除或重新编程。flash保护功能采用64位密钥。对器件进行删除或重新编程时， ispvm system会核查flash是否被保护。如果是，就要求用户输入64位密钥，然后ispvm检查这个密钥是否与存储在器件中的密钥一致，如果一致就执行操作。但是，如果丢失了密钥，器件就再也不能被擦除了。这些安全性措施不仅保护了用户电路板上的设计，而且也防止了试图修改系统功能的盗版行为。这些功能还有助于远程的系统更新。莱迪思fpga提供这一功能，使用户可以通过对fpga重复编程来更新他们的系统，而不会中断它与周围元件的联系。此功能被称为transfr 。fpga最值得注意的的特点是设计人员很容易对器件进行重构。但是，重构通常意味着系统要中断很长时间。但是，莱迪思开发的transfr技术将重构的影响降至最低。莱迪思的几个fpga系列都支持transfr技术，包括那些含有内置闪存的器件，如machxo 、latticexp和latticexp2 ，以及像latticeecp2 /m那样的sram fpga。图5 用最短的中断系统时间进行远程更新transfr是一种同时使用基本任务编程和边界扫描单元的技术。基本任务编程修改非易失存储器的内容（内部的或外部的） ，以便使fpga的sram部分继续工作。莱迪思的fpga拥有可以取样和预加载的边界扫描单元，可以在编程时控制fpga的i/o。图6 执行transfr的4个步骤执行transfr的4个步骤：1，进行基本任务编程。系统对fpga的非易失性存储器再编程，但不会中断sram的功能。2，可以锁定i/o的状态，用户可以保持或预先确定i/o的状态。在整个重新配置过程中，i/o的值保持不变，以防止系统被关闭。3， 接着用jtag命令把新的配置传输至非易失存储器。一完成对sram就执行全局复位，以便使该器件处于一个已知的状态。然后释放i/o的状态，并再次锁定pll。4，释放输出，内部逻辑停止对i/o的监测。要使用transfr，需要用到isplever开发工具和ispvm。用户通过使用128位aes密钥加密文件和lattice transfr技术完成了更新过程，但仍有可能因为系统本身的弱点或违法行为引发系统故障。虽然fpga的位流是加密的，但是非法操作或传输中的错误都可能损坏它，从而导致fpga被阻塞，使系统无法正确地重启。为了解决这个问题，莱迪思推出了“双引导 ”功能。2 双引导配置在配置存储器中存储两个编程文件。图7 双引导配置激活program引脚或启动jtag刷新指令后，fpga下载存储在sector 1的位流 。如果crc出错，fpga自动恢复到sector 0配置。lattice xp2非易失fpga也有此功能。该flash元件拥有主动配置，还有一个用来存放安全（ “golden” ）配置的spi flash。莱迪思拥有许多能帮助设计人员保障设计安全的产品。lattice ecp2/m fpga是一款拥有128位aes密钥的高安全性器件。这些经济的器件提供了大存储容量（高达5.3 mbit）、高速i/o和serdes 。非易失性latticexp2 fpga是市场上一款很独特的器件，它有着极高的安全性。由于采用了flexiflash技术，位流存储在器件的flash中， 并由128位aes密钥对它进行保护。此外， transfr更是保障了绝对安全的远程系统更新。设计的安全性应该是设计过程的一部分，而不是事后再去考虑。无论选择了哪种技术，最重要的是要防止设计被篡改，无论这个篡改行为是无意的还是非法的。
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