引 言

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)組成。硬件系統(tǒng)的核心是 CPU，中央處理器，而軟件系統(tǒng)的核心則為操作系統(tǒng)等。目前我國(guó)使用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，絕大多數(shù)來(lái)自美國(guó)的軟件生產(chǎn)商 Microsoft， 而硬件核心 CPU 在 PC 端主要來(lái)自Intel 和 AMD?？梢哉f(shuō)，我國(guó)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)安全性是十分脆弱的， 這不僅反映在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的重要的信息很容易被竊取，更嚴(yán)重的是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)外來(lái)的攻擊幾乎沒(méi)有抵御能力，來(lái)自懷有各種圖謀的黑客（包括釋放病毒者）很容易使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)癱瘓。對(duì)于軍事、政府和金融等國(guó)家機(jī)要部門(mén)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)， 這種威脅直接關(guān)系到國(guó)家政治、軍事和經(jīng)濟(jì)的安全[1]。

本文基于北京多思公司自主研發(fā)的ASYM32 芯片，開(kāi)發(fā)了面向工業(yè)控制的防危系統(tǒng)，并以工業(yè)中石灰窯煅燒進(jìn)行仿真模擬，實(shí)現(xiàn)了軟硬件產(chǎn)品的完全自主可控。

1 ASYM芯片介紹

北京多思公司自主研發(fā)的芯片ASYM32-1 是一款主要面向支付終端和通訊終端的 32 位嵌入式SoC 安全芯片。該芯片采用 32 位 ASYM CPU 內(nèi)核，提供有先進(jìn)的硬件加密和安全功能，同時(shí)集成了豐富的IO 接口類型，可做為主控CPU 芯片方便地實(shí)現(xiàn)各類安全終端設(shè)備的設(shè)計(jì)。

ASYM 是非對(duì)稱宏指令體系結(jié)構(gòu)，其芯片的邏輯關(guān)系和指令體系可由應(yīng)用改變。一個(gè)邏輯可支持多種算法配置，一個(gè)邏輯可支持多種指令編碼[2]。一個(gè)芯片在應(yīng)用中可以由使用者設(shè)置無(wú)窮的指令編碼，使得每一個(gè)裝備都具有“個(gè)性化”的體系（指令，數(shù)據(jù)）。在網(wǎng)絡(luò)中，攻擊者需要針對(duì)每一個(gè)設(shè)備實(shí)施攻擊，而不是像今天一樣 ：每一個(gè)設(shè)備的邏輯與指令都是相同的，攻擊者只要有一次成功的（病毒，木馬）攻擊，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所有設(shè)備的成功攻擊。非對(duì)稱宏指令體系結(jié)構(gòu)最大特點(diǎn)就是威懾攻擊，使設(shè)計(jì)制造成本降低，性能提高。應(yīng)用安全 ：禁止反匯編、反編譯、信息竊取及攻擊。

2 工業(yè)防危

對(duì)于工業(yè)控制系統(tǒng)的安全而言，我們關(guān)注的焦點(diǎn)不應(yīng)只是在網(wǎng)絡(luò)安全（Security），保證信息本身的機(jī)密性和完整性，更為重要的是要關(guān)注工控系統(tǒng)安全問(wèn)題可能對(duì)被控設(shè)備、乃至整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的破壞（本質(zhì)安全），關(guān)注工控系統(tǒng)自身的防危性（Safety）。根據(jù)對(duì)可信計(jì)算和安全計(jì)算概念的界定，衡量一個(gè)系統(tǒng)的可信程度包括可用性、可靠性、防危性、安全性、可維護(hù)性[3] 等相關(guān)特征。防危性是指系統(tǒng)可持續(xù)提供正常功能或不破壞其他系統(tǒng)和相關(guān)人員生命安全的方式中斷服務(wù)的概率?；诖耍@里提出的防危機(jī)制主要包括四個(gè)部分： 主動(dòng)防危、實(shí)時(shí)防危、全局防危及自主防危[4]。主動(dòng)防危，即提高系統(tǒng)的預(yù)測(cè)能力，提高系統(tǒng)主動(dòng)防御能力；實(shí)時(shí)防危，即利用預(yù)設(shè)的規(guī)則，通過(guò)高效的計(jì)算，進(jìn)行實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)異常檢測(cè)， 及時(shí)發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)的異常操作和異常節(jié)點(diǎn)，做到對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)異常檢測(cè) ；全局防危就是對(duì)于較復(fù)雜的工控系統(tǒng)建立起系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型 ；自主防危即對(duì)工控系統(tǒng)實(shí)施保護(hù)并實(shí)現(xiàn)狀態(tài)回歸。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

多思 ASYM32芯片采用的是forth編程語(yǔ)言，forth是一種可擴(kuò)展的，交互式的語(yǔ)言。最初為小型的嵌入式電腦設(shè)計(jì)的， 現(xiàn)在它幾乎可以在任何主流的芯片上解譯和編譯。由于 forth 采用地址流結(jié)構(gòu)，實(shí)行堆棧操作，代數(shù)運(yùn)算用逆波蘭表達(dá)式（將運(yùn)算符放在后面的表示方法）等，使其運(yùn)行速度很快，接近于匯編語(yǔ)言的速度，能夠滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制要求。forth的基本語(yǔ)言就是forth中的“詞”，“詞”的功能類似于其他高級(jí)語(yǔ)言的函數(shù)或子程序調(diào)用。而一般的高級(jí)語(yǔ)言中的函數(shù)、子程序、語(yǔ)句以及過(guò)程的概念，在forth中都不存在，它們?nèi)加?span style="line-height:1.5;">forth中的“詞”來(lái)替代。

利用forth編程語(yǔ)言，可實(shí)現(xiàn)基于 ASYM32的工業(yè)石灰石煅燒仿真系統(tǒng)，以用于模擬工業(yè)防危過(guò)程，圖 1所示是工業(yè)石灰石煅燒的系統(tǒng)圖。

圖 1 中，運(yùn)石量，運(yùn)煤量以及風(fēng)機(jī)流量為控制量，而窯頂溫度，煅燒區(qū)溫度以及出灰溫度為因變量。通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬控制運(yùn)煤量、運(yùn)石量、風(fēng)機(jī)流量，實(shí)現(xiàn)石灰窯溫度狀態(tài)的變化，從而通過(guò)防危系統(tǒng)的規(guī)則引擎實(shí)現(xiàn)公式計(jì)算、趨勢(shì)分析以及狀態(tài)預(yù)測(cè)，從而反作用于控制量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)告警和趨勢(shì)預(yù)測(cè)，拒絕危險(xiǎn)動(dòng)作等。具體的石灰石煅燒仿真系統(tǒng)如圖 2 所示，仿真系統(tǒng)與防危系統(tǒng)由兩個(gè) forth 開(kāi)發(fā)板來(lái)完成，而上位機(jī)顯示則直接用PC 來(lái)完成顯示。計(jì)算機(jī)與forth 開(kāi)發(fā)板，開(kāi)發(fā)板與開(kāi)發(fā)板之間數(shù)據(jù)通信均通過(guò)串口RS 232 來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析 

通過(guò)多思公司提供的 ASYM_Compile_Project 軟件將編 寫(xiě)好的防危系統(tǒng)程序以及石灰窯仿真系統(tǒng)程序編譯后，寫(xiě)入 forth 芯片開(kāi)發(fā)板運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表 1 所列。

在防危系統(tǒng)中預(yù)先輸入正常的定值以及計(jì)算公式和規(guī)則， 通過(guò)改變運(yùn)石量、運(yùn)煤量和風(fēng)機(jī)流量的值，實(shí)現(xiàn)了防危系統(tǒng)中單點(diǎn)、狀態(tài)、預(yù)測(cè)、趨勢(shì)、動(dòng)作。由此可見(jiàn)工業(yè)控制防危系統(tǒng)在工業(yè)控制中有很好的應(yīng)用，且使用基于forth 編程語(yǔ)言的自主ASYM 芯片，更加提高了工業(yè)生產(chǎn)控制中的安全性和穩(wěn)定性。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文基于北京多思公司自主研發(fā)的ASYM32 芯片，利用forth 編程語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)了面向工業(yè)控制的防危系統(tǒng)，同時(shí)針對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)控制系統(tǒng)中防危技術(shù)的不足進(jìn)行了改進(jìn)，以工業(yè)石灰窯煅燒進(jìn)行仿真模擬，實(shí)現(xiàn)了軟硬件產(chǎn)品完全自主可控的一套工業(yè)控制系統(tǒng)。