基于CH375的嵌入式USB文件加解密系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

時(shí)間：2008-07-18 21:57:00

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[導(dǎo)讀]介紹了采用CH375與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的基于USB HOST技術(shù)的嵌入式文件加密解密系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用基于隨機(jī)算子的輕量級(jí)加密算法對(duì)USB移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備中的文件進(jìn)行加密解密。

隨著信息與通信技術(shù)的飛速發(fā)展，信息安全與通信加解密在個(gè)人隱私特別在軍事情報(bào)和國(guó)家機(jī)密等方面顯得尤為突出。數(shù)據(jù)加密技術(shù)無疑是保護(hù)信息安全最有效的一種方法。傳統(tǒng)的文件加密方式是基于PC平臺(tái)的，不能滿足移動(dòng)場(chǎng)合的應(yīng)用需求?；赑C機(jī)的加密技術(shù)使明文到密文必須經(jīng)過PC機(jī)環(huán)節(jié)，在不能保證PC機(jī)軟硬件絕對(duì)可靠的情況下，可能失密。基于嵌入式設(shè)計(jì)的本系統(tǒng)可以便攜使用，并在完成加密或解密過程后可將芯片程序擦除或?qū)⑿酒茐?，避免加解密硬件環(huán)節(jié)的失密。本設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)的安全性，提供了便攜使用的可能，有一定的理論意義和較高的使用價(jià)值。
1 USB HOST控制器CH375
CH375 是一款USB總線的通用接口芯片，支持USB HOST主機(jī)方式和USB DEVICE/SLAVE設(shè)備方式。CH375具有8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，可以方便地掛接到單片機(jī)/DSP/MCU/MPU等控制器的系統(tǒng)總線上。
CH375的USB 主機(jī)方式支持常用的USB 全速設(shè)備，外部單片機(jī)可以通過CH375 按照相應(yīng)的USB 協(xié)議與USB 設(shè)備通信。CH375 還內(nèi)置了處理海量存儲(chǔ)設(shè)備的專用通信協(xié)議的固件，外部單片機(jī)可以直接以扇區(qū)為基本單位讀寫常用的USB 存儲(chǔ)設(shè)備（包括USB 硬盤/USB 閃存盤/U盤）^[1]。CH375的接口框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
嵌入式文件加解密系統(tǒng)主要分為四個(gè)部分：運(yùn)算處理模塊、按鍵與狀態(tài)顯示模塊、USB通信模塊、電源模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

運(yùn)算處理模塊由P89V51RD2單片機(jī)與32KB的RAM 62256及其外圍電路組成,負(fù)責(zé)加解密計(jì)算與整個(gè)系統(tǒng)的控制。按鍵產(chǎn)生加解密操作的控制信號(hào)，LED顯示當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)。USB通信模塊對(duì)USB存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與文件操作。電源模塊為本系統(tǒng)供電并且為USB總線提供5V電源電壓。

3 基于CH375的USB HOST在本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
3.1 CH375與P89V51RD2單片機(jī)的接口部分
CH375與P89V51RD2單片機(jī)的接口如圖3所示。CH375 的TXD引腳通過1kΩ左右的下拉電阻接地或者直接接地，使CH375 工作于并口方式。CH375的CS#連接到單片機(jī)的A15 引腳，端口地址范圍為0000H～7FFFH，為了避免沖突，外部RAM地址在8000H 以上。

    電容C3用于CH375 內(nèi)部電源節(jié)點(diǎn)退耦，C3是容量為0.01μF 的獨(dú)石或高頻瓷片電容。電容C4和C5用于外部電源退耦，C4是容量為0.1μF的獨(dú)石或高頻瓷片電容。晶體X1、電容C1和C2組成CH375的時(shí)鐘振蕩電路。USB-HOST主機(jī)方式要求時(shí)鐘頻率比較準(zhǔn)確，X1的頻率為12MHz±0.4‰，C1和C2是容量約為15pF的獨(dú)石或高頻瓷片電容。
    如果電源上電過程較慢并且電源斷電后放電時(shí)間較長(zhǎng)，將導(dǎo)致CH375不能可靠復(fù)位。所以在RSTI引腳與VCC 之間跨接一個(gè)容量為0.47μF 的電容C11，并且可以減少干擾。
    在設(shè)計(jì)印刷線路板PCB 時(shí)，需要注意：退耦電容C3 和C4盡量靠近CH375 的相連引腳；使UD+和UD-信號(hào)線貼近平行布線，盡量在兩側(cè)提供地線或者覆銅，減少來自外界的信號(hào)干擾；盡量縮短XI和XO引腳相關(guān)信號(hào)線的長(zhǎng)度，減少高頻時(shí)鐘對(duì)外界的干擾，并應(yīng)該在相關(guān)元器件周邊環(huán)繞地線或者覆銅。
3.2 P89V51RD2單片機(jī)擴(kuò)展部分
    P89V51RD2單片機(jī)擴(kuò)展部分電路圖如圖4所示。MCS-51 單片機(jī)用U2鎖存A7～A0 地址。U3用于簡(jiǎn)單的地址譯碼，產(chǎn)生所需的片選信號(hào)，使本系統(tǒng)CH375 芯片的片選地址范圍為B000H～BFFFH，本系統(tǒng)中CH375 需要占用兩個(gè)地址：地址BXX1H用于寫命令，地址BXX0H 用于讀寫數(shù)據(jù)。

3.3 供電電路部分
供電部分電路如圖5所示，用于對(duì)USB總線供電。設(shè)計(jì)時(shí)除了要考慮自身功耗，更重要的是要保證對(duì)總線提供直流5V/500mA的供電。本設(shè)計(jì)所用的芯片都工作在直流5V下，所以選用常見的直流電壓轉(zhuǎn)換芯片μA7805。該系統(tǒng)工作時(shí)，只須外接能夠輸出直流電壓為7V～20V的電源適配器即可（可外掛鋰電池組或駁接車載12V電源便攜使用）。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
4.1系統(tǒng)工作流程圖
CH375對(duì)文件的讀寫模式分為扇區(qū)模式和字節(jié)模式。本系統(tǒng)選用速度較快的扇區(qū)模式，每次讀取4個(gè)扇區(qū)數(shù)據(jù)，循環(huán)讀寫至文件結(jié)束。工作流程如圖6所示。

4.2 單片機(jī)軟件
    單片機(jī)軟件編寫比較復(fù)雜，以下是CH375程序編寫時(shí)的要點(diǎn)：
    CH375芯片占用兩個(gè)地址位，單片機(jī)A0 引腳為選擇命令數(shù)據(jù)端口，并通過8 位并口對(duì)CH375 芯片進(jìn)行讀寫，所有操作命令都是由一個(gè)命令碼、若干個(gè)輸入數(shù)據(jù)和若干個(gè)輸出數(shù)據(jù)組成，部分命令不需要輸入數(shù)據(jù)，部分命令沒有輸出數(shù)據(jù)^[2]。
    單片機(jī)對(duì)CH375的操作步驟如下：
    (1)在A0=1時(shí)向命令端口寫入命令代碼；
    (2)如果該命令具有輸入數(shù)據(jù)，則在A0=0 時(shí)依次寫入輸入數(shù)據(jù)，每次一個(gè)字節(jié)；
    (3)如果該命令具有輸出數(shù)據(jù)，則在A0=0 時(shí)依次讀取輸出數(shù)據(jù)，每次一個(gè)字節(jié)；
    (4)命令完成，可以暫?；蛘咿D(zhuǎn)到(1)繼續(xù)執(zhí)行下一個(gè)命令。CH375 芯片專門用于處理USB 通信，在接收到數(shù)據(jù)后或者發(fā)送完數(shù)據(jù)后，CH375以中斷方式通知單片機(jī)進(jìn)行處理。CH375內(nèi)部中斷邏輯圖如圖7所示。

    單片機(jī)通過CH375芯片接收數(shù)據(jù)的處理步驟如下：
    (1)當(dāng)CH375接收到USB主機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)時(shí)，首先鎖定當(dāng)前USB 緩沖區(qū)，防止被后續(xù)數(shù)據(jù)覆蓋，然后將INT#引腳設(shè)置為低電平，向單片機(jī)請(qǐng)求中斷。
    (2)單片機(jī)進(jìn)入中斷服務(wù)程序時(shí)，首先執(zhí)行GET_STATUS 命令獲取中斷狀態(tài)。
    (3)CH375在GET_STATUS 命令完成后，將INT#引腳恢復(fù)為高電平，取消中斷請(qǐng)求。

    (4)由于通過上述GET_STATUS 命令獲取的中斷狀態(tài)是“下傳成功”，所以單片機(jī)執(zhí)行RD_USB_DATA 命令從CH375讀取接收到的數(shù)據(jù)。
    (5)CH375在RD_USB_DATA 命令完成后釋放當(dāng)前緩沖區(qū)，從而可以繼續(xù)USB通信。
    (6)單片機(jī)退出中斷服務(wù)程序。
    單片機(jī)通過CH375芯片發(fā)送數(shù)據(jù)的處理步驟如下：
    (1)單片機(jī)執(zhí)行WR_USB_DATA 命令向CH375寫入要發(fā)送的數(shù)據(jù)。
    (2)CH375被動(dòng)地等待USB 主機(jī)在需要時(shí)取走數(shù)據(jù)。
    (3)USB主機(jī)取走數(shù)據(jù)后，CH375首先鎖定當(dāng)前USB緩沖區(qū)，防止重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)，然后將INT#引腳設(shè)置為低電平，向單片機(jī)請(qǐng)求中斷。
    (4)單片機(jī)進(jìn)入中斷服務(wù)程序時(shí)，首先執(zhí)行GET_STATUS 命令獲取中斷狀態(tài)。
    (5)CH375在GET_STATUS 命令完成后，將INT#引腳恢復(fù)為高電平，取消中斷請(qǐng)求。
    (6)由于通過上述GET_STATUS 命令獲取的中斷狀態(tài)是“上傳成功”，所以單片機(jī)執(zhí)行WR_USB_DATA 命令向CH375寫入另一組要發(fā)送的數(shù)據(jù)。如果沒有后續(xù)數(shù)據(jù)需要發(fā)送，單片機(jī)就不必執(zhí)行WR_USB_DATA 命令。
    (7)單片機(jī)執(zhí)行UNLOCK_USB 命令。
    (8)CH375在UNLOCK_USB 命令完成后釋放當(dāng)前緩沖區(qū)，從而可以繼續(xù)USB 通信。
    (9)單片機(jī)退出中斷服務(wù)程序。
    (10)如果單片機(jī)已經(jīng)寫入了另一組要發(fā)送的數(shù)據(jù)，則轉(zhuǎn)到(2)，否則結(jié)束。
4.3 加密算法設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)采用一種基于隨機(jī)因子的輕量級(jí)加密算法。
    傳統(tǒng)的置換和替代加密技術(shù)比較脆弱，同一明文M在同一文件或所有文件中均為相同的密文C，因此很容易通過頻度統(tǒng)計(jì)的辦法破解。針對(duì)傳統(tǒng)的置換和替代加密技術(shù)的缺點(diǎn)，本系統(tǒng)在對(duì)文件進(jìn)行加密時(shí)加入隨機(jī)因子，使得明文隨著位置的不同其對(duì)應(yīng)密文也有所不同，其基本過程如下：
    (1)首先將明文M采取一定的方法“亂”排序：例如將每10個(gè)字節(jié)分為一組，先在每組內(nèi)倒序排列，再在組內(nèi)采取奇偶位置對(duì)調(diào)，從而完成分組換位的目的。
    (2)其次對(duì)“亂”排序的二次明文M進(jìn)行加密處理：加密各明文到密文的轉(zhuǎn)換不是固定的，而是隨機(jī)的，稱為隨機(jī)加密因子?；玖鞒倘缦拢?BR>    ①取出二次明文當(dāng)前需加密的字節(jié)SB。
    ②計(jì)算SB的隨機(jī)加密因子Factor。
    ③變換SB到DB，DB=SB XOR Factor^[3]。
    其中,SB為明文，DB為加密后的密文。隨機(jī)加密因子Factor由兩部分組成：密鑰Key和SB的位置偏移量p（mod 256）。設(shè)密鑰為：“Huazhong University of Seience and Technology EI DSP Laboratory Zoe”共69個(gè)字符。當(dāng)前需要加密的二次明文為字母A（SB的ASCII碼為65，其在文件中的偏移量p為第234個(gè)字節(jié)），則密鑰Key計(jì)算方法如下：234 mod 69=27，密鑰中第27個(gè)字母為i（ASCII碼為105），所以Key=105。隨機(jī)加密因子Factor=（105+234=339）mod 256=73。密文DB=SB XOR Factor=65 XOR 73=8。如果第236個(gè)字節(jié)也為字母A，可計(jì)算出所對(duì)應(yīng)的Factor=85，密文為17?？梢娡幻魑脑谖募械奈恢貌煌?，相應(yīng)的密文也有所不同，這樣就難以通過頻度統(tǒng)計(jì)的辦法破解。
    本系統(tǒng)硬件可以與計(jì)算復(fù)雜度不高的任何加密算法配合使用。
5系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
5.1供電測(cè)試
    按照USB規(guī)范，USB總線接入U(xiǎn)SB設(shè)備時(shí)，需要總線提供大約500mA電流。接入U(xiǎn)SB存儲(chǔ)設(shè)備時(shí)產(chǎn)生瞬時(shí)電壓降不可避免。如果壓降過大，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作。在此，有必要對(duì)系統(tǒng)工作時(shí)的電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)。測(cè)試結(jié)果，接入U(xiǎn)SB設(shè)備瞬間，電壓高于4.6V，系統(tǒng)無異常。
5.2文件加密準(zhǔn)確性測(cè)試
    使用本系統(tǒng)分別對(duì)U盤中大小為1KB～1MB的10個(gè)文件進(jìn)行加密操作，將得到的密文用UltraEdite-32與正確密文進(jìn)行自動(dòng)比對(duì)。結(jié)果全部正確。可見其加密過程可靠性較好。
5.3 速度測(cè)試
    使用本系統(tǒng)分別對(duì)U盤中大小為1KB～10MB的10個(gè)文件進(jìn)行加密操作，分別記錄完成時(shí)間（從按鍵操作到LED顯示完成）。測(cè)得平均加密速度為35KB/s，與CH375公布的100KB/s～200KB/s的讀寫速度有差距。其原因是加密操作涉及讀明文與寫密文操作，數(shù)據(jù)傳輸量加倍；而且加密計(jì)算也需要占用單片機(jī)的工作時(shí)間。提高速度可使用高性能的MCU，也可對(duì)部分子程序改用匯編語(yǔ)言混合編程。
    本文詳細(xì)介紹了基于CH375和51單片機(jī)的嵌入式USB文件加解密系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)使文件加解密脫離了PC機(jī)，便捷易用，并使用隨機(jī)加密因子使密文抗破解能力比傳統(tǒng)方法有很大提高。
參考文獻(xiàn)
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