摘要：本文描述了Xilinx Zynq-7000如何通過芯片內(nèi)嵌的AES-256解密引擎和HMAC (Keyed-hashed message authentication code)認(rèn)證引擎來保護(hù)客戶的知識產(chǎn)權(quán)，防止拷貝、抄板等損害客戶知識產(chǎn)權(quán)事件的發(fā)生。

基本原理：

Xilinx Zynq-7000內(nèi)含AES-256解密引擎和HMAC認(rèn)證引擎，并支持Secure Boot啟動方式，用于保護(hù)客戶的設(shè)計(包括軟件的二進(jìn)制可執(zhí)行代碼，數(shù)據(jù)以及FPGA的bitstream編程文件)不被竊取和使用。

客戶在完成設(shè)計后，可以使用Xilinx ISE軟件為設(shè)計添加用于認(rèn)證的256-bit的校驗碼，然后再用256-bit密鑰AES算法進(jìn)行加密。

256-bit AES密鑰由客戶生成，保存在FPGA內(nèi)部，不能被外部讀取。

啟動時，Zynq-7000首先執(zhí)行芯片內(nèi)部ROM中的代碼。BOOTROM代碼首先通過AES-256解密引擎對對被保護(hù)的設(shè)計進(jìn)行解密，然后通過HMAC引擎認(rèn)證完整性，只有通過認(rèn)證的設(shè)計才能被加載并執(zhí)行。

對于試圖通過“抄板”竊取知識產(chǎn)權(quán)的行為，因為缺少和FLASH內(nèi)容相對應(yīng)的AES密鑰，F(xiàn)LASH中內(nèi)容將不會被加載并執(zhí)行。256-bit AES密鑰對應(yīng)的組合達(dá)到1.15×10⁷⁷種，可以充分保證客戶知識產(chǎn)權(quán)的安全。

Xilinx Zynq-7000內(nèi)含的硬件安全引擎的特點：

1. HMAC硬件認(rèn)證引擎

• 在內(nèi)層保護(hù)客戶設(shè)計不被非法篡改，保證客戶設(shè)計的完整性。
• 使用美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所的SHA256 FIPS PUB-182-2算法和HMAC FIPS PUB-198 算法，這些算法由美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所(National Institute of Standards and Technology, NIST)提供

http://csrc.nist.gov/publications/fips/fips180-2/fips180-2withchangenotice.pdf

http://csrc.nist.gov/publications/fips/fips198-1/FIPS-198-1_final.pdf

• HMAC簽名保存在Boot Image中。

2. AES-256硬件解密引擎

• 在外層保護(hù)客戶設(shè)計不被反向工程，不被分析破解，不被拷貝。
• 密鑰保存在片上的eFuse或者BBRAM(battery-backed RAM)，不能被JTAG或者FPGA邏輯讀取。eFuse僅支持一次可編程，掉電內(nèi)容不丟失。BBRAM可支持反復(fù)編程，但是掉電內(nèi)容丟失，因此需要外接電池。
• AES算法是美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所(National Institute of Standards and Technology, NIST)和美國商務(wù)部的正式標(biāo)準(zhǔn)(http://csrc.nist.gov/publications/fips/fips197/fips-197.pdf )。Xilinx支持最高安全等級的256-bit密鑰加解密方式。

通過Xilinx ISE保護(hù)客戶設(shè)計

Xilinx SDK用于生成Boot Image的工具支持SHA-256算法校驗碼生成和AES-256算法加密：

1. 啟動Xilinx SDK

2. 點擊Xilinx Tools->Create Boot Image，SDK彈出如下窗口

3. 在Tab Basic里面配置好輸入的文件位置和生成的image的位置后，在Tab Advanced里面可以配置是否加密、密鑰的存放位置以及密鑰等內(nèi)容：

在生成的Boot Image里面，偏移量0x28位置的內(nèi)容決定了Boot Image是否加密：

Boot Image的文件頭和分區(qū)頭不參與加密，被加密的只有各個分區(qū)的數(shù)據(jù)。Boot Image的格式如下圖所示：

注意：

如果選擇加密Boot Image，將對所有分區(qū)（Partition）的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。

Zynq-7000的啟動過程

Zynq-7000上電后首先執(zhí)行芯片內(nèi)部BootRom中的代碼。BootRom中的代碼由Xilinx開發(fā)并保證安全；代碼保存在只讀存儲器中，用戶無法修改。

BootRom支持三種啟動模式：

• Secure, encrypted image, master mode
• Non-secure master mode
• Non-secure slave mode via JTAG

BootRom通過Boot Image文件頭0x28位置的內(nèi)容判斷Boot Image是否加密，代碼執(zhí)行流程如下：

注意：

在Secure Boot Mode下，Boot Rom不會使能JTAG接口，這時無法通過JTAG讀取Zynq-7000內(nèi)部的信息，無論是軟件二進(jìn)制可執(zhí)行代碼，AES密鑰，還是FPGA的配置信息。

Boot Image只有在認(rèn)證了FSBL（First Stage Boot Loader）的完整性后，才會認(rèn)為它是安全的，并將控制權(quán)移交給FSBL代碼。 FSBL需要加載的Second Stage Boot Loader, 操作系統(tǒng)和應(yīng)用可以是明文的，也可以是加密的。 一般不建議客戶使用明文的PS (Processing System) Image。如果必須要這樣做，需要充分考慮系統(tǒng)級別的安全性。如果這些內(nèi)容是加密的，系統(tǒng)不允許切換AES密鑰。

Secure Boot Mode僅限于NOR, NAND, SDIO, 和Quad-SPI flash，不支持JTAG或任何其他對外接口。

密鑰的管理

256-bit AES密鑰可以由用戶指定，用Xilinx BitGen工具生成加密的bitstream，也可以由工具生成隨機(jī)密鑰。

AES密鑰由Xilinx iMPACT軟件通過JTAG寫入Zynq-7000芯片中。

寫入AES密鑰時，所有FPGA中的存儲器（密鑰存儲器和配置存儲器）都會被清空。密鑰寫入后，沒有任何辦法可以重新讀出寫入的密鑰，也不可能在不清空全部存儲器的情況下改寫密鑰。

當(dāng)采用BBRAM保存密鑰時，需要在V_CCBATT上外接電池，確保系統(tǒng)掉電的情況下BBRAM中的內(nèi)容不會丟失。系統(tǒng)正常工作時，由V_CCAUX對BBRAM供電，而不會使用V_CCBATT上的電池供電。當(dāng)系統(tǒng)掉電時，V_CCBATT需要的電流很?。╪A級別），一塊手表紐扣電池可以使用很長時間。

其他Zynq-7000的安全要點

除了上面的內(nèi)容，Xilinx還充分考慮了其他各種復(fù)雜情況下的如何保證用戶知識產(chǎn)權(quán)的安全。

BootROM檢測到Boot Image未加密后，進(jìn)入非安全狀態(tài)。AES解密引擎和HMAC認(rèn)證引擎被關(guān)閉，只有上電復(fù)位才能使能它們。沒有任何機(jī)制可以從非安全狀態(tài)轉(zhuǎn)換到安全狀態(tài)（除了上電復(fù)位）。如果在加載未加密數(shù)據(jù)后試圖加載加密數(shù)據(jù)，將導(dǎo)致系統(tǒng)鎖定，只有重新上電后才能復(fù)位。

當(dāng)PS或者PL檢測到以下非法狀態(tài)時，將清空OCM，系統(tǒng)緩存，復(fù)位PL，然后PS進(jìn)入鎖定狀態(tài)。只有重新上電復(fù)位才能清楚系統(tǒng)鎖定狀態(tài)：

• Non-secure boot and eFuse secure boot set
• PS DAP enabled and JTAG chain disable eFuse set
• SEU error tracking has been enabled in the PS and the PL reports an SEU error
• A discrepancy in the redundant AES enable logic
• Software sets the FORCE_RST bit of the Device Configuration Control register

Xilinx Zynq-7000 BootRom支持fall-back功能：在當(dāng)前的Boot Image不可用的情況下，會搜索并運行g(shù)olden image。在這種情況下，系統(tǒng)要求golden image的加密狀態(tài)和FSBL的加密狀態(tài)是一致的，即：如果FSBL是加密的，golden image必須也是加密的；如果FSBL未加密，golden image必須也是不加密的。

在secure boot模式下，PS DAP和PL TAP控制器被關(guān)閉，這樣排除了通過JTAG訪問芯片內(nèi)部的可能。

PS的DAP控制器可以通過eFuse的JTAG CHAIN DISABLE永久關(guān)閉。在生成PL bitstream時，可以配置DISABLE_JTAG選項(see UG628, Command Line Tools User Guide for more information)

，禁止通過JTAG訪問PL。

小結(jié)

通過以上的分析，我們可以看到Xilinx Zynq-7000提供了充分的安全措施，來保證客戶的知識產(chǎn)權(quán)和設(shè)計的安全性，是客戶設(shè)計的重要選擇。

參考文獻(xiàn)：

UG585, Zynq-7000 EPP Technical Reference Manual

UG470, 7 Series FPGAs Configuration User Guide