Xilinx Zynq-7000如何保护客户的知识产权 知识产权, 二进制, 如何, 认证, 软件

pengpengpang

摘要：本文描述了Xilinx Zynq-7000如何通过芯片内嵌的AES-256解密引擎和HMAC (Keyed-hashed message authentication code)认证引擎来保护客户的知识产权，防止拷贝、抄板等损害客户知识产权事件的发生。
基本原理：
Xilinx Zynq-7000内含AES-256解密引擎和HMAC认证引擎，并支持Secure Boot启动方式，用于保护客户的设计(包括软件的二进制可执行代码，数据以及FPGA的bitstream编程文件)不被窃取和使用。
客户在完成设计后，可以使用Xilinx ISE软件为设计添加用于认证的256-bit的校验码，然后再用256-bit密钥AES算法进行加密。
256-bit AES密钥由客户生成，保存在FPGA内部，不能被外部读取。
启动时，Zynq-7000首先执行芯片内部ROM中的代码。BOOTROM代码首先通过AES-256解密引擎对对被保护的设计进行解密，然后通过HMAC引擎认证完整性，只有通过认证的设计才能被加载并执行。
对于试图通过“抄板”窃取知识产权的行为，因为缺少和FLASH内容相对应的AES密钥，FLASH中内容将不会被加载并执行。256-bit AES密钥对应的组合达到1.15×1077种，可以充分保证客户知识产权的安全。
Xilinx Zynq-7000内含的硬件安全引擎的特点：
1. HMAC硬件认证引擎
在内层保护客户设计不被非法篡改，保证客户设计的完整性。
使用美国国家标准技术研究所的SHA256 FIPS PUB-182-2算法和HMAC FIPS PUB-198 算法，这些算法由美国国家标准技术研究所(National Institute of Standards and Technology, NIST)提供
http://csrc.nist.gov/publications/fips/fips180-2/fips180-2withchangenoti...
http://csrc.nist.gov/publications/fips/fips198-1/FIPS-198-1_final.pdf
HMAC签名保存在Boot Image中。
2. AES-256硬件解密引擎
在外层保护客户设计不被反向工程，不被分析破解，不被拷贝。
密钥保存在片上的eFuse或者BBRAM(battery-backed RAM)，不能被JTAG或者FPGA逻辑读取。eFuse仅支持一次可编程，掉电内容不丢失。BBRAM可支持反复编程，但是掉电内容丢失，因此需要外接电池。
AES算法是美国国家标准技术研究所(National Institute of Standards and Technology, NIST)和美国商务部的正式标准( http://csrc.nist.gov/publications/fips/fips197/fips-197.pdf )。Xilinx支持最高安全等级的256-bit密钥加解密方式。
通过Xilinx ISE保护客户设计
Xilinx SDK用于生成Boot Image的工具支持SHA-256算法校验码生成和AES-256算法加密：
1. 启动Xilinx SDK
2. 点击Xilinx Tools->Create Boot Image，SDK弹出如下窗口


3. 在Tab Basic里面配置好输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、密钥的存放位置以及密钥等内容：


在生成的Boot Image里面，偏移量0x28位置的内容决定了Boot Image是否加密：

Boot Image Header 0x028位置的内容	描述
0xA5C3C5A3	密钥保存在eFuse中
0x3A5C3C5A	密钥保存在BBRAM中
其他值	Boot Image未加密

Boot Image的文件头和分区头不参与加密，被加密的只有各个分区的数据。Boot Image的格式如下图所示：


注意：
如果选择加密Boot Image，将对所有分区（Partition）的数据进行加密。
Zynq-7000的启动过程
Zynq-7000上电后首先执行芯片内部BootRom中的代码。BootRom中的代码由Xilinx开发并保证安全；代码保存在只读存储器中，用户无法修改。
BootRom支持三种启动模式：
Secure, encrypted image, master mode
Non-secure master mode
Non-secure slave mode via JTAG
BootRom通过Boot Image文件头0x28位置的内容判断Boot Image是否加密，代码执行流程如下：


注意：
在Secure Boot Mode下，Boot Rom不会使能JTAG接口，这时无法通过JTAG读取Zynq-7000内部的信息，无论是软件二进制可执行代码，AES密钥，还是FPGA的配置信息。
Boot Image只有在认证了FSBL（First Stage Boot Loader）的完整性后，才会认为它是安全的，并将控制权移交给FSBL代码。 FSBL需要加载的Second Stage Boot Loader, 操作系统和应用可以是明文的，也可以是加密的。 一般不建议客户使用明文的PS (Processing System) Image。如果必须要这样做，需要充分考虑系统级别的安全性。如果这些内容是加密的，系统不允许切换AES密钥。
Secure Boot Mode仅限于NOR, NAND, SDIO, 和Quad-SPI flash，不支持JTAG或任何其他对外接口。
密钥的管理
256-bit AES密钥可以由用户指定，用Xilinx BitGen工具生成加密的bitstream，也可以由工具生成随机密钥。
AES密钥由Xilinx iMPACT软件通过JTAG写入Zynq-7000芯片中。
写入AES密钥时，所有FPGA中的存储器（密钥存储器和配置存储器）都会被清空。密钥写入后，没有任何办法可以重新读出写入的密钥，也不可能在不清空全部存储器的情况下改写密钥。
当采用BBRAM保存密钥时，需要在VCCBATT上外接电池，确保系统掉电的情况下BBRAM中的内容不会丢失。系统正常工作时，由VCCAUX对BBRAM供电，而不会使用VCCBATT上的电池供电。当系统掉电时，VCCBATT需要的电流很小（nA级别），一块手表纽扣电池可以使用很长时间。
其他Zynq-7000的安全要点
除了上面的内容，Xilinx还充分考虑了其他各种复杂情况下的如何保证用户知识产权的安全。
BootROM检测到Boot Image未加密后，进入非安全状态。AES解密引擎和HMAC认证引擎被关闭，只有上电复位才能使能它们。没有任何机制可以从非安全状态转换到安全状态（除了上电复位）。如果在加载未加密数据后试图加载加密数据，将导致系统锁定，只有重新上电后才能复位。
当PS或者PL检测到以下非法状态时，将清空OCM，系统缓存，复位PL，然后PS进入锁定状态。只有重新上电复位才能清楚系统锁定状态：
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：在当前的Boot Image不可用的情况下，会搜索并运行golden image。在这种情况下，系统要求golden image的加密状态和FSBL的加密状态是一致的，即：如果FSBL是加密的，golden image必须也是加密的；如果FSBL未加密，golden image必须也是不加密的。
在secure boot模式下，PS DAP和PL TAP控制器被关闭，这样排除了通过JTAG访问芯片内部的可能。
PS的DAP控制器可以通过eFuse的JTAG CHAIN DISABLE永久关闭。在生成PL bitstream时，可以配置DISABLE_JTAG选项(see UG628, Command Line Tools User Guide for more information)
，禁止通过JTAG访问PL。
小结
通过以上的分析，我们可以看到Xilinx Zynq-7000提供了充分的安全措施，来保证客户的知识产权和设计的安全性，是客户设计的重要选择。
参考文献：
UG585, Zynq-7000 EPP Technical Reference Manual
UG470, 7 Series FPGAs Configuration User Guide
来源：赛灵思中文社区论坛