0 引言

在信息化時代的今天，計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，給人們的生產(chǎn)和生活帶來了巨大便利，以前復(fù)雜的工作，現(xiàn)在只要單擊鼠標(biāo)即可完成，因此，計算機(jī)已經(jīng)成為人們?nèi)粘９ぷ骱蜕畹囊徊糠?，人們對計算機(jī)的依賴程度越來越高，沒有計算機(jī)的生活簡直難以想象。隨著計算機(jī)在生產(chǎn)和生活中占劇比重的加大，信息安全問題也顯得突出重要，失泄密案件時有發(fā)生。小到企業(yè)商業(yè)機(jī)密被竊取，給企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失；大到國家安全和軍事機(jī)密被竊取，給人民的生命財產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重威脅。在鐵路軍交管理系統(tǒng)中，對軍列的調(diào)度是采用密碼管理的，這些密碼標(biāo)識了重要的軍事目標(biāo)，同時也只有通過此密碼才能訪問調(diào)度軟件，從而調(diào)度軍列。如果這些密碼失竊，重要的軍事目標(biāo)將暴露，同時對軍列的調(diào)度將出現(xiàn)混亂甚至引發(fā)安全事故。因此，對這些密碼進(jìn)行管理顯得尤為重要。在這樣的背景下，本文研制了一種能有效安全管理機(jī)密數(shù)據(jù)的密碼卡。

1 CH365的功能特點

現(xiàn)在主流的PCI接口芯片是PLX公司的PCI905x系列芯片，此類芯片功能強(qiáng)大，有多種工作模式，數(shù)據(jù)傳輸速率高，但價格相對偏高，而且需要編寫相應(yīng)的硬件驅(qū)動程序。而CH365則是一款國產(chǎn)的廉價PCI接口芯片，它可以將PCI總線的時序轉(zhuǎn)換為類似ISA總線時序，以便于后續(xù)與數(shù)字信號處理器、FPGA以及MCU等接口。由于CH365的生產(chǎn)廠商提供了豐富的硬件驅(qū)動程序，因此，軟件編程人員只要調(diào)用相應(yīng)廠商提供的動態(tài)連接庫，即可完成對器件的操作，而且操作十分簡便。

CH365支持I／O端口映射、存儲器映射、擴(kuò)展ROM以及中斷。CH365可將32位高速PCI總線轉(zhuǎn)換為簡單的類似于ISA總線的8位主動并行接口，以用于制作低成本的、基于PCI總線的計算機(jī)板卡，也可將原先基于ISA總線的板卡升級到PCI總線上。PCI總線與其它主流總線相比，速度更快，實時性更好，可控性更佳，所以，CH365非常適用于高速實時的I／O控制卡、通訊接口卡、數(shù)據(jù)采集卡、電子盤、擴(kuò)展ROM卡等。它的主要特點如下：

(1)可將基于32位PCI總線的從設(shè)備接口轉(zhuǎn)換為主動并行接口，包括8位數(shù)據(jù)，16位地址，I／O讀和寫，存儲器讀和寫；

(2)可以設(shè)定PCI板卡的設(shè)備標(biāo)識(VendorID，Device ID，Class Code等)；

(3)能以字節(jié)、字或雙字為單位對I／O端口或者存儲器進(jìn)行讀寫；

(4)支持本地硬件定址功能，可自由選擇I／O地址；

(5)直接升級ISA板卡到PCI總線，完全不需要修改I／O板卡的相關(guān)軟件；

(6)芯片本身無需驅(qū)動程序即可工作，而且升級ISA板卡可以不需要軀動程序。

2 CH365的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和信號線

圖1所示是CH365內(nèi)部的主要結(jié)構(gòu)。CH365對PCI總線的各種信號進(jìn)行譯碼后，可產(chǎn)生內(nèi)部數(shù)據(jù)總線D31～D0、內(nèi)部地址總線A31～A0、讀寫I／O端口信號、讀寫存儲器等信號。結(jié)構(gòu)圖右側(cè)的信號是CH365提供給本地端的各個外部引腳。地址線A15～A0用于提供相對于基址的偏移地址：數(shù)據(jù)總線D7～D0在讀操作時用于輸入數(shù)據(jù)，在寫操作時用于輸出數(shù)據(jù)；IOP_RD用于提供I／O讀選通脈沖信號；IOP_WR用于提供I／O寫選通脈沖信號；MEM_RD用于提供存儲器讀選通脈沖信號，MEM_WR用于提供存儲器寫選通脈沖信號。由于CH365提供的地址線、數(shù)據(jù)線、讀寫選通信號線類似于ISA總線的信號線，所以，非常適合將ISA板卡升級到PCI總線上。在I／O讀寫操作期間，CH365的A7～A0輸出的是I／O端口的偏移地址，它提供給外部設(shè)備的有效偏移地址范圍是00H～EFH，外部設(shè)備可進(jìn)一步對A7～A0進(jìn)行譯碼以產(chǎn)生二級片選信號。在I／O操作期間，CH365的A15～A10保持不變，但可以由內(nèi)部寄存器事先設(shè)定為高電平或低電平。如果使用本地硬件定址功能，則可以對A9～A0進(jìn)行地址譯碼，并通過IOP_HIT引腳向CH365請求本地定址，以實現(xiàn)與ISA總線相兼容的000H～3FFH地址范圍內(nèi)的I／O端口地址。在存儲器操作期間，CH365的A14～A0可輸出存儲器的偏移地址，提供給外部設(shè)備的有效偏移地址范圍是0000H～7FFFH。在存儲器讀寫操作期間，CH365的A15保持不變，但可以由內(nèi)部寄存器事先設(shè)定為高電平或低電平，以用于存儲器地址線的擴(kuò)展或者頁面選擇。



3 PCI總線的數(shù)據(jù)密碼卡硬件設(shè)計

3.1  數(shù)據(jù)密碼卡的組成

數(shù)據(jù)密碼卡實際上就是一個基于計算機(jī)PCI總線的板卡。它區(qū)別于普通板卡的地方主要是這塊板卡中包含了大量的加密后的機(jī)密數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)存于板卡的FLASH存儲器中。在軍交系統(tǒng)中，這些數(shù)據(jù)代表了車輛的編組調(diào)度等信息，軍交管理軟件直接應(yīng)用解密后的數(shù)據(jù)來對車輛實施調(diào)度，但這些解密后的數(shù)據(jù)對操作人員來說是透明的。為了防止不法分子蓄意破解數(shù)據(jù)，上級主管部門會不定期的將原始數(shù)據(jù)重新加密，然后寫入FLASH存儲器中，再將重新加密過的FLASH存儲器下發(fā)給各個部門。采取多種加密策略的目的主要是為了防止數(shù)據(jù)密碼卡被盜，或者其中的FLASH存儲器被盜而使密碼被破譯。

數(shù)據(jù)密碼卡的組成框圖如圖2所示。



3.2 CPLD設(shè)計

CPLD的設(shè)計是本數(shù)據(jù)密碼卡的核心。設(shè)計選用LATTICE公司生產(chǎn)的LATYICE1032。它所包含的模塊主要有三塊。其一是數(shù)據(jù)密碼卡訪問合法性確認(rèn)和數(shù)據(jù)解密模塊；其二是地址譯碼模塊；三是ROM地址產(chǎn)生器模塊。其頂層設(shè)計圖如圖3所示。



4 各模塊核心部分的ABEL語言實現(xiàn)

4.1 ROM地址產(chǎn)生模塊

下面是產(chǎn)生ROM地址的程序代碼：

addrl：=addrl+1：
when addr1==^hlff then c0=1
else c0=0；
when e0 then addr2：=addr2+1
else addS：=addr2；

從上述程序中可以看出，ROM中的數(shù)據(jù)不是按照地址順序排放的，也就是說，即使是得到了這片ROM，用編程器把數(shù)據(jù)讀出，讀出的數(shù)據(jù)也是無法破解的。

4.2 訪問合法性確認(rèn)和數(shù)據(jù)解密模塊

訪問合法性確認(rèn)和數(shù)據(jù)解密程序代碼如下：



該操作的保密措施主要是兩點：一是在當(dāng)訪問者所輸入的權(quán)限密碼正確后，才能使pass0～pass4信號有效，從而使OE信號有效來讀取ROM中的數(shù)據(jù)；二是從ROM中讀到的數(shù)據(jù)，還必須經(jīng)過解密后才能得到真正的數(shù)據(jù)，解密的措施是ROM中讀到的數(shù)據(jù)與某一數(shù)據(jù)進(jìn)行異或處理。

5  結(jié)束語

基于CH365設(shè)計的PCI總線數(shù)據(jù)密碼卡與PCI總線的接口比較簡單，數(shù)據(jù)保密性強(qiáng)，操作簡單。目前此卡已成功用于鐵路調(diào)度系統(tǒng)之中。