0 引言

    隨著智能手機和物聯(lián)網(wǎng)的爆炸式增長，越來越多的安全芯片在眾多領(lǐng)域的終端設(shè)備上被廣泛應用，如移動支付領(lǐng)域、智能交通系統(tǒng)、公務政務領(lǐng)域、安全計算機領(lǐng)域、安全通信領(lǐng)域、物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域等。安全芯片在保障信息安全方面有著無可比擬的優(yōu)點和不可替代的作用。正因為安全芯片如此重要，針對安全芯片的攻擊技術(shù)也層出不窮；安全芯片本身的安全性設(shè)計也日益重要，對這一塊的研究和應用具有重要的現(xiàn)實意義。

    在目前的信息安全應用中，帶有安全協(xié)處理器方案的芯片被廣泛采納。然而安全協(xié)處理器基本都是針對某種具體應用來設(shè)計的一個實現(xiàn)特定功能的硬件模塊，功能簡單、沒有靈活性。且特定功能的硬件模塊的設(shè)計全由硬件實現(xiàn)，要求較高，本身設(shè)計起來較復雜、設(shè)計周期較長、面積也較大^[1]。

    在比較復雜的金融場合，比如POS機支付領(lǐng)域，要實現(xiàn)的不單單是數(shù)據(jù)的加解密。從刷卡一開始的卡數(shù)據(jù)保護，到密碼鍵盤的保護，再到液晶接口的顯示，每個環(huán)節(jié)都要考慮到數(shù)據(jù)的防護。而且芯片自身也需要防攻擊模塊和機密數(shù)據(jù)防護模塊（遇到攻擊要清除機密數(shù)據(jù)）。所有以上的安全功能要通過協(xié)處理器的方法全由硬件來完全實現(xiàn)是不現(xiàn)實的。目前市面上的POS機芯片都是單核實現(xiàn)的，主要是通過監(jiān)測是否遇到攻擊來清除機密數(shù)據(jù)。本文在此基礎(chǔ)上，通過特殊的雙核設(shè)計，使得機密數(shù)據(jù)運行在與實際應用完全隔離的環(huán)境當中。

1 設(shè)計簡介

    本文提供的雙核安全設(shè)計方法，是一個軟硬件的綜合體；在幾乎沒有增加芯片面積的前提下，縮短了研發(fā)周期，成本低且靈活多變；在沒有安全應用操作時，可以當成普通的雙核芯片；在安全應用操作時，能在一個獨立封閉的物理環(huán)境實現(xiàn)對機密數(shù)據(jù)的完全隔離；在很大程度上提升了芯片處理能力和安全防護，可以適用于各種不同的安全方面的應用場景。

    如圖1所示，本文主要講述一種雙核POS機安全芯片的設(shè)計，主要包含安全系統(tǒng)（SP系統(tǒng)）、應用系統(tǒng)（AP系統(tǒng)）、總線矩陣和雙核通信4大部分。

    AP系統(tǒng)主要包括應用處理器(AP)、應用靜態(tài)隨機存儲器(SRAM-AP)、應用存儲器、應用直接內(nèi)存存取控制器(DMA-AP)、USB接口、嵌入式多媒體卡接口(eMMC接口)、通用通信接口、外部存儲器控制器接口(EMI)、四線外設(shè)串行接口(QSPI)等模塊。SP系統(tǒng)主要包括安全處理器(SP)、安全靜態(tài)隨機存儲器(SRAM-SP)、安全直接內(nèi)存存取控制器(DMA-SP)、安全存儲器和安全保護模塊等模塊。雙核通信模塊包括雙核通信協(xié)議模塊和雙核通信緩存模塊。

    安全存儲器和應用存儲器可以是ROM、OTP、Flash或EEPROM，也可以是上述4種的隨意混合。

    AP系統(tǒng)和SP系統(tǒng)遵循雙核通信協(xié)議，通過對雙核通信緩存模塊的分時讀寫實現(xiàn)雙核之間數(shù)據(jù)的高效傳輸。

    源于總線矩陣的特殊設(shè)計，SP可以根據(jù)實際需求擁有訪問AP系統(tǒng)任何模塊的權(quán)限，而AP卻無法訪問SP系統(tǒng)的任何模塊。如此，實現(xiàn)了與AP系統(tǒng)完全隔離的密閉的SP系統(tǒng)。由SP系統(tǒng)完成所有的安全操作，AP系統(tǒng)僅需要通過雙核通信協(xié)議，發(fā)送相應的數(shù)據(jù)和操作指令，SP系統(tǒng)接收該數(shù)據(jù)和操作指令，執(zhí)行之后把結(jié)果通過雙核通信協(xié)議返還給AP系統(tǒng)。

1.2 總線矩陣的設(shè)計

    圖2是總線矩陣設(shè)計的一個簡單示意圖，芯片內(nèi)的每個單元可以稱之為設(shè)備（IP），設(shè)備可以分為主設(shè)備或從設(shè)備。主設(shè)備通過片上總線跟總線矩陣相連接，總線矩陣也是通過片上總線跟從設(shè)備相連接。片上總線協(xié)議可以是ARM公司的AMBA協(xié)議，或opencores的wishbone總線協(xié)議，也可以是altera的avalon協(xié)議，也可以是其他類似的總線協(xié)議。

    總線矩陣上的主設(shè)備可以是SP、AP、全局DMA，也可以是含內(nèi)置DMA功能的接口模塊(如USB、EMMC、WiFi、藍牙等)；從設(shè)備可以是存儲器、SRAM、外部存儲接口、安全保護模塊、共同訪問模塊等，從設(shè)備可以根據(jù)應用需求拆分得更精細化。主設(shè)備和從設(shè)備的個數(shù)可以根據(jù)實際應用場景增加或減少，對應的總線矩陣也要跟著變化。每個主設(shè)備接口和每個從設(shè)備接口之間都有通路，可以設(shè)計成橋接（連通）或斷開。橋接代表橋接兩頭的主設(shè)備和從設(shè)備通路是連通的，主設(shè)備可以訪問從設(shè)備；斷開則代表主設(shè)備無法訪問從設(shè)備。

    如圖2所示，SP作為主設(shè)備通過總線矩陣與SRAM-SP、安全存儲器、SRAM-AP、應用存儲器、安全防護模塊等從設(shè)備連接；AP也作為主設(shè)備通過總線矩陣與SRAM-AP、應用存儲器等從設(shè)備連接。這樣，SP能夠訪問應用系統(tǒng)模塊，而AP無法訪問安全系統(tǒng)模塊。如此，斷開AP與安全存儲器、SRAM-SP、安全防護模塊的連接關(guān)系，中止AP對安全系統(tǒng)的訪問，形成一個完全封閉的安全系統(tǒng)，即應用開發(fā)人員完全無法訪問到安全保護模塊及其內(nèi)部的機密數(shù)據(jù)。

    其余內(nèi)置DMA功能的接口模塊可以根據(jù)應用需求進行差異化配置(圖2中全部留空)，在此不具體展開。

1.3 雙核通信協(xié)議

    SP系統(tǒng)和AP系統(tǒng)通過雙核通信協(xié)議模塊來實現(xiàn)對雙核通信緩存模塊的分時控制，保障雙核之間數(shù)據(jù)的安全交互。

1.3.1 雙核通信協(xié)議模塊的具體實現(xiàn)

    雙核通信協(xié)議模塊里有一組SP中斷寄存器，包括中斷標志位寄存器，中斷置1寄存器和中斷清0寄存器。跟中斷系統(tǒng)類似，SP中斷標志位寄存器中只要有一位置1，則會產(chǎn)生中斷請求，SP通過識別中斷標志位來完成該中斷請求；因此，AP只要往SP中斷標志位寄存器寫入相應的值(這個值代表著AP和SP已經(jīng)約定好的某項具體任務)，SP就能完成該值所指的具體任務。反之，也同樣存在一組AP中斷寄存器，SP只要往AP中斷標志位寄存器寫入相應的值(這個值代表著AP和SP已經(jīng)約定好的某項具體任務)，AP就能完成該值所指的具體任務。

1.3.2 雙核通信緩存分時讀寫的設(shè)計實現(xiàn)

    雙核通信協(xié)議模塊包含一個互斥寄存器。如AP要操作雙核通信緩存之前，應先讀取互斥寄存器位，如讀取到1，則表示有權(quán)限對雙核通信緩存進行讀寫；如讀取到0，表示SP正在操作雙核通信緩存（SP在操作雙核通信緩存完后，會對互斥寄存器位進行寫操作，互斥寄存器位的值為1），AP則應該等待并查詢，直到讀取到1方可對雙核通信緩存進行操作。反之，亦然。如SP要操作雙核通信緩存之前，應先讀取互斥寄存器位，如讀取到1，則表示有權(quán)限對雙核通信緩存進行讀寫；如讀取到0，表示AP正在操作雙核通信緩存（AP在操作雙核通信緩存完后，會對互斥寄存器位進行寫操作，互斥寄存器位的值為1），SP則應該等待并查詢，直到讀取到1方可對雙核通信緩存進行操作。

1.3.3 雙核通信緩存的實現(xiàn)

    SP系統(tǒng)和AP系統(tǒng)共同遵循以上雙核通信協(xié)議的約定，實現(xiàn)對雙核通信緩存的分時讀寫；SP和AP都可以訪問SRAM-AP，因此，可以由SP在SRAM-AP中直接指定某段區(qū)間為雙核通信緩存^[3]，軟件人員需要對這段區(qū)間做額外的定義和約束，避免發(fā)生誤操作。雙核通信緩存也可以是用硬件功能單獨實現(xiàn)的一塊SRAM，這塊SRAM只供雙核通信用，可以完全避免誤操作^[2]。

1.3.4 雙核通信函數(shù)

    SP系統(tǒng)提供所有的功能函數(shù)以便和AP系統(tǒng)通信。AP開發(fā)人員通過雙核通信功能，將需要輸入的數(shù)據(jù)寫入雙核通信緩存，再往SP中斷標志位寄存器寫入相應的值（代表相應的任務函數(shù)），這樣SP即接收到相應的中斷，就執(zhí)行該任務并最終把數(shù)據(jù)結(jié)果寫回到雙核通信緩存，然后SP往AP中斷標志位寄存器寫入相應值（代表任務執(zhí)行完畢），告知AP系統(tǒng)。同樣的，SP也可以主動發(fā)起雙核通信，如SP系統(tǒng)檢測到安全防護模塊有數(shù)據(jù)輸入，則可以將相應的需求數(shù)據(jù)寫入雙核通信緩存，再往AP中斷標志位寄存器寫入相應的值（代表相應的任務函數(shù)）；這樣AP就接收到相應的中斷，取到SP系統(tǒng)傳輸過來的數(shù)據(jù)。所有雙核之間的通信都必須符合SP系統(tǒng)所提供的功能函數(shù)集合，超出該集合，SP系統(tǒng)不會做出任何應答。

    由SP定義并提供函數(shù)調(diào)用接口,這樣做可以用ROM來完成很多程序代碼，節(jié)省FLASH成本，最終節(jié)省芯片成本。

1.4 POS機的安全實現(xiàn)

    安全防護模塊包括如下模塊：加解密模塊、數(shù)據(jù)保護模塊、物理安全模塊、密碼鍵盤模塊、銀行卡模塊、液晶顯示模塊。這些模塊可以根據(jù)實際安全應用需求來添加或減少。安全模塊可以如圖2所示通過總線掛在總線矩陣上，也可以通過總線直接掛在安全CPU上；所有有關(guān)信息安全或金融支付的模塊都可融合于安全防護模塊。

    加解密模塊，包括但不限于DES/3DES、AES、HASH、ECC、RSA、國密等算法，用于完成機密信息的加解密處理。數(shù)據(jù)保護單元由非易失性存儲器構(gòu)成，支持快速清除功能，用于保存重要安全數(shù)據(jù)，并在數(shù)據(jù)受到攻擊時快速清除敏感數(shù)據(jù)。物理安全單元由各種物理量探測單元組成，用于防御各種電壓、電流、電容、溫度、頻率類型的物理攻擊，銀行卡接口用于支持銀行卡的數(shù)據(jù)讀取，密碼鍵盤模塊用于對密碼輸入數(shù)據(jù)的保護。

1.5 升級的安全實現(xiàn)

    AP可以選擇市場上常見的ARM或MIPS的低功耗系列RISC CPU，以便于客戶開發(fā)和市場推廣。SP完全由公司自主研發(fā)，人為形成一個更加密閉的開發(fā)環(huán)境。如此，機密數(shù)據(jù)在產(chǎn)品出廠時，通過一個自主設(shè)計的硬件通道和燒錄協(xié)議進行燒錄，并讀取確認燒錄成功后，該燒錄通道通過熔絲燒斷封閉掉，杜絕了燒錄通道泄露機密數(shù)據(jù)的可能。AP系統(tǒng)與SP系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互只有雙核通信緩存，SP系統(tǒng)提供用機密數(shù)據(jù)進行相應操作并輸出結(jié)果的函數(shù)，不提供對機密數(shù)據(jù)進行直接讀取的函數(shù)。這樣，AP開發(fā)人員沒有任何的物理通道讀取到機密數(shù)據(jù)，外界攻擊人員再怎么通過AP系統(tǒng)的漏洞或軟件bug，也是無法取得機密數(shù)據(jù)的，從而實現(xiàn)了真正的物理隔離。

2 POS機實例說明

2.1 POS機安全支付

    本發(fā)明所述的雙核安全POS機芯片，其安全支付流程如下：

    （1）用戶通過POS設(shè)備進行刷卡動作，設(shè)備通過雙核芯片中安全系統(tǒng)的銀行卡接口模塊讀取用戶的銀行卡信息。

    （2）用戶通過POS機上的按鍵輸入密碼等信息，按鍵直接連接到安全系統(tǒng)的密碼鍵盤模塊。相關(guān)信息通過安全系統(tǒng)內(nèi)的液晶控制接口在液晶上顯示，與用戶進行一定的信息交互，如刪除、退格、確認等。

    （3）安全系統(tǒng)通過加解密模塊對上述信息進行加密，然后將加密好的數(shù)據(jù)通過雙核通信功能傳輸給應用系統(tǒng)，應用系統(tǒng)再將加密好的信息通過通信接口（如串口、USB等）發(fā)送給支付后臺。

    （4）支付后臺處理完后，再將加密信息的校驗結(jié)果通過通信接口傳輸回POS設(shè)備，應用系統(tǒng)將校驗結(jié)果通過雙核通信功能送到安全系統(tǒng)，并通過約定好的雙核通信協(xié)議的函數(shù)，將最終交易結(jié)果通過安全系統(tǒng)內(nèi)的液晶接口顯示出來。

    應用系統(tǒng)通過通信接口與銀行對接，只對已經(jīng)加密好的信息進行搬運工作，安全方面的所有工作全由安全核完成，應用人員無法形成攻擊且無法獲得機密數(shù)據(jù)。

2.2 POS機的數(shù)據(jù)防護

    使用安全系統(tǒng)中物理安全單元的相關(guān)功能進行各種抗攻擊設(shè)計。物理安全單元適時探測環(huán)境變化，可以保證在機器受到攻擊后清除數(shù)據(jù)保護單元中的重要敏感信息，以免被攻擊者盜取。數(shù)據(jù)防護的工作依舊是安全系統(tǒng)完成，應用人員無觸碰。

3 測試與驗證

    聯(lián)合應用開發(fā)人員，上述設(shè)計已在FPGA平臺上完成了高覆蓋率的功能測試和雙核安全測試，也在服務器上完成了芯片級別的高覆蓋率仿真測試，目前已MPW。

參考文獻

[1] 妙維，袁宏駿，余紅斌，等.信息安全協(xié)處理器及其內(nèi)部存儲空間的管理方法.中國，CN 102521166 B[P]．2015-02-11.

[2] NXP Semiconductors，LPC43xx/LPC43Sxx ARM Cortex-M4/M0 multi-core microcontroller user manual[DB/OL].(2015-10-10).http：//cache.nxp.com/documents/user_manual/UM10503.pdf?fsrch=1&sr=1&pageNum=1.

[3] NXP Semiconductors，LPC5411x User manual[DB/OL].(2016-2-16).http://cache.nxp.com/documents/user_manual/UM10914.pdf?fsrch=1&sr=4&pageNum=1.

作者信息：

柯志斌，葉  琨，周媛媛

（福建睿矽微電子科技有限公司，福建 福州350003）