4.7 指纹特征提取与密钥生成 4.7.1 指纹特征提取 指纹模块完成指纹采集、指纹登记、指纹 1:N 和 1:1 比对等与指纹有关的操作。它由高速信号处理器 DSP 芯片 TMS320VC5416、指纹传感器（滑动式）、高性能指纹比对算法等软硬件组成。采用 SPI 总线接口和控制器通信。模块上的指纹传感器芯片为 AuthenTec 公司的EntréPad 2510 芯片，该芯片体积功耗都很小，对各种指纹适应能力非常强，并且从原理上讲只对人的真皮皮肤有反应，从根本上杜绝了人造指纹的问题。
下面是指纹模块硬件内部原理框图：
图 4-4指纹 模块 内部 硬件 框图
下面是指纹模块识别算法流程图：
图 4-5指 纹识 别算 法流 程图
4.7.2密钥生成
这部分 工作是由MicroBlaze完成的。MicroBlaze从指纹模块读取到某个 指纹特征数据后，通过 ANSI X9.17 算法产生密钥。ANSI X9.17 是最强的伪随机数发生器之一，有一些应用使用了这种方法，如金融安全应用和 PGP 等。
图 4-6ANSI X9.17 伪 随机 数发 生器
上图中 K 为密钥，按照 ANSI X9.17 这个密钥是保密的。指纹特征数据分为 128bit 每组，最后一组若不足 128bit 则以 0 补足，作为 DTi 输入。Vi 为第 i 轮的初始种子值。Ri 为第 i轮产生的伪随机数。作品中取最后一轮产生的伪随机数作为密钥。
5 硬件框图
系统硬件实现框图如图 5-1 系 统 硬 件 实 现 框 图 所 示 。 虚 线 框 内 均 在starter kit 开发板上实现，虚线框外在自行设计的电路板上实现。
图 5-1系统硬 件实 现框 图
5.1 微处理器模块(MicroBlaze 系统) 本系统中使用了 Xilinx 公司 IP Version 为 6.00a 的 Microblaze 软核作 为 CPU。其主要工作是过滤 PC 与 U 盘之间的数据传输，解析协议，提取需要加/解密部分交给 AES 模块，与指纹模块通信并生成密钥。系统部分 IP 核定义总结如表 5-1 所示：
表 5-1 MicroBlaze 系统部分 IP 核定义
 5.2
AES
加密模块
AES 模块是用 VHDL 语言设计的加密电路，采用 128 位密钥，工作在 CBC 模式。用户通过指纹验证后，MicroBlaze 获得 128 位密钥，然后将其写入 AES 模块。AES 模块内部存储并扩展密钥，用其加密 MicroBlaze 发来的数据。图 5-2 是本模块引脚图。
图 5-2AES 模块引脚图
Microblaze 首先 将 密 钥发 给 AES 模 块 ， AES 模 块完 成 密 钥扩 展 后发 出 信 号通 知Microblaze。 这 时 ，Microblaze 便可 以 将 数据 写 入 AES 模 块， 运 算完 成 后 读出 数 据 。当Microblaze 发到“de”端口的信号为“0”时，AES 模块工作在加密模式，为“1”时工作在解密模式。
Microblaze 是 32 位的处理器，密钥和数据需要分 4 次写入或读出。我们定义了一组握手协议来完成密钥及数据的交互。写入密钥时，首先 Microblaze 将最低的 1 个字写进 idata_enc, 再将 key_check_enc 设为“00”。AES 模块判断出 key_check_enc 等于 key_kw_enc，在下一个时钟周期将 idata_enc 的数据读入，并将 key_kw_enc 信号加 1。Microblaze 发现 key_check_enc 与 key_kw_enc 不等，证实上一次写入的数据已经被 AES 模块接收，于是将下一个字的密钥加到 idata_enc，再将key_check_enc 加 1。这样，新的一个字的密钥就被写入 AES 模块。当 key_kw_enc 为“11”时，加 1 后又重新回到“00”，4 个字的密钥就成功写入。写入密钥的波形图如下：
图 5-3
写入数据的过程相似，不再赘述。
密钥 写入 波形 图读出数据时，以 data_check_enc 信号为地址， odata_enc 输出运算结果中相应的字。 AES 算法需要进行 10 轮运算。本模块中每轮运算仅需 8 个时钟周期 ，80 个时钟周期即可 完 成 一 次 加 密 或 解 密 运 算 。 按 照 系 统 50MHz 的 时 钟 频 率 计 算 ， 本 模 块 最 高 可 达 到10Mbyte/s 的加解密速度。当然，每次加密前需要将数据写入 AES 模块，加密后再将数据读出。这部分占用的时间取决于 Microblaze 处理器的指令周期，所以实际应用中的运算速度要比 10Mbyte/s 小。
5.3 USB 接口电路模块 USB 接口电路以两块美国 MAXIM 公司的 MAX3421E 芯片为核心。MAX3421E 是一款USB 控制器，既可作 USB 外设又可作 USB 主机。在这里，与 PC 相连的 MAX3421E 芯片使用 USB 外设工作模式 ，与 U 盘相连的 MAX3421E 芯片使用 USB 主机工作模式。
图 5-4
芯片具有通信速 率可高达USB 接 S 口电 路信 号图 26MHz 的 SPI 接口，在Micro Blaze系统中使用的是v1.00.d 版本的 opb_spi IP 核实现 SPI 接口，其允许的最小分频数为 2，而 opb bus 的时钟频率为 50MHz， 所以 此 处 spi bus 时 钟 频率 为 25MHz。两 块 芯片 均 工作 在 SPI 从机 模 式，MicroBlaze 系 统的 SPI 口为 主 机模 式。 主 从机 的 SPI 工 作方 式均 保 持默 认： CPHA=0，CPOL=0。 MAX3421 芯片提供了 D+、D-引脚，在串联 33Ω电阻后可直接连至 USB 总线。而且芯片内部集成了 ESD 保护和 VBCOMP，使外围电路进一步简化。为进一步保护插入的设备，我们在主机工作模式的 MAX3421 芯片外部又添加了限流芯片 MIC2545A，限流电阻选取 470Ω,最大允许电流为 490mA。
MAX3421 芯片内部集成了±15KV ESD 保护功能，故外围电路中没有再增加静电防护电路。
5.4 指纹模块 指纹模块采用深圳艾菲尔公司设计生产的 EFM-200 通用型指纹识别模块。它由高速信号处理器 DSP、指纹传感器芯片 AES2510、高性能指纹比对算法等软硬件组成。
图 5-5指 纹模 块接 口定 义
指纹模块通过 SPI 接口与 MicroBlaze 系统通信，指纹模块为从机，MicroBlaze 系统为主机。工作模式为：CPHA=0，CPOL=1。Pin3 为 SPI 从机选择引脚（低电平使能），Pin7 为SPI CLOCK 引脚，Pin8 为 MISO 引脚，Pin10 为 MOSI 引脚。MicroBlaze 系统中使用 v1.00.e版本的 opb_spi IP 核实现 SPI 接口，opb 总线频率为 50MHz，分频系数采用 16。
Pin1 为指纹模块中断脚，本系统中采用查询该引脚的方式来获得指纹模块状态信息，当该引脚为低电平时，说明指纹模块准备好数据待主机读取。Pin9 为电源使能引脚，当其置低时，指纹模块上电。在 MicroBlaze 系统中通过 opb_gpio IP 核对其进行控制。Pin6、Pin5 为电源和地，均与开发板相连。Pin2、Pin4 为保留引脚。图 4.7 是其示意图。
| 
