基于通用接口芯片CH365的財(cái)稅安全卡設(shè)計(jì)

目前中國國內(nèi)“金稅工程”經(jīng)過幾年的推廣實(shí)施，在全國范圍內(nèi)己取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，在金稅工程中，最重要的是對于開票系統(tǒng)數(shù)據(jù)的保護(hù)，為了防止開票系統(tǒng)受病毒感染或被人為地破壞，絕大部分的單位都被要求專機(jī)專用，從而來確保系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定。

但隨著“金稅工程”的深入推廣，也暴露出了一些急待解決的問題∶首先，由于國稅局對于企業(yè)的防偽稅控開票系統(tǒng)有“專機(jī)專用”的要求，致使企業(yè)花費(fèi)一萬多元購買的防偽稅控設(shè)備及計(jì)算機(jī)只能用于開具增值稅發(fā)票巨大的資源浪費(fèi)；其次，隨著電子報(bào)稅、出口退稅等科技手段在企業(yè)中的應(yīng)用以及企業(yè)財(cái)務(wù)管理的電子化，都必須依賴計(jì)算機(jī)處理，這必然會造成企業(yè)還需再投資一臺電腦給財(cái)務(wù)人員來處理這方面的工作，這對企業(yè)來說，是一種重復(fù)的投資；最后，防偽稅控的系統(tǒng)和數(shù)據(jù)，財(cái)務(wù)軟件和數(shù)據(jù)以及電子報(bào)稅系統(tǒng)和數(shù)據(jù)等都屬于企業(yè)的重要資料，如何保證其安全性，使其不會因?yàn)樨?cái)務(wù)人員的誤操作、病毒等因素造成系統(tǒng)的崩潰，甚至重要數(shù)據(jù)資料的丟失，而影響企業(yè)的正常工作。

財(cái)稅安全卡的硬件實(shí)現(xiàn)

財(cái)稅安全卡的工作過程和工作原理是：利用PCI總線的擴(kuò)展ROM機(jī)制，在安全卡上嵌入擴(kuò)展程序，通過CH365的本地8位總線，接管并擴(kuò)展BIOS的INT13H中斷，實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)的讀寫操作，根據(jù)設(shè)置進(jìn)行過濾，確保讀寫操作的安全性，實(shí)現(xiàn)硬盤隔離和一機(jī)多用。相關(guān)硬盤系統(tǒng)引導(dǎo)分區(qū)等信息可以通過CH365的兩線串行主機(jī)接口保存在EEPROM上，達(dá)到動態(tài)分隔硬盤空間的目的，將一個硬盤分成相互隔離互不干擾的多個硬盤空間。

圖1：財(cái)稅安全卡硬件電路圖。

PCI總線協(xié)議比較復(fù)雜，用戶可以根據(jù)具體實(shí)際需求選擇相應(yīng)的開發(fā)方式。一般，PCI總線開發(fā)采用兩種方式：一是采用CPLD來設(shè)計(jì)控制接口。它的最大好處是比較靈活，用戶可以根據(jù)自己的需要開發(fā)出適合于特定功能的芯片，而不必實(shí)現(xiàn)PCI的全部功能?，F(xiàn)在有許多生產(chǎn)可編程邏輯器件的廠商，如Xilinx的LogiCore和Altera的AMPP都提供經(jīng)過嚴(yán)格測試的PCI接口功能模塊，用戶只要進(jìn)行組合設(shè)計(jì)即可。由于PCI總線協(xié)議復(fù)雜，設(shè)計(jì)PCI控制接口難度較大，對于產(chǎn)品不大又有時限的工程項(xiàng)目來說，成本巨大。

二是采用通用PCI接口芯片，例如南京沁恒公司的CH365、AMCC公司的AMCCS5920和AMCCS5933，PLX公司的PLX9054和PLX9080等。通過專用芯片可以實(shí)現(xiàn)完整的PCI主控模塊和目標(biāo)模塊的功能，將復(fù)雜的PCI總線接口轉(zhuǎn)換為相對簡單的用戶接口，用戶只要設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換后的總線接口即可，它能實(shí)現(xiàn)PCI規(guī)范所要求的所有硬件接口信號和配置空間寄存器，專用接口芯片具有較低的成本和通用性，能夠有效降低接口設(shè)計(jì)的難度，縮短開發(fā)時間,并能獲得較好的數(shù)據(jù)傳輸性能。

第二種方法適合于小規(guī)模的情況，能夠有效縮短開發(fā)時間以及成本投入，因此在設(shè)計(jì)財(cái)稅安全卡上選擇CH365 PCI接口芯片。CH365是一個連接PCI總線的通用接口芯片，支持I/O端口映射、存儲器映射、擴(kuò)展ROM以及中斷。實(shí)現(xiàn)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：8位數(shù)據(jù)、16位地址、I/O讀和寫、存儲器讀和寫。支持低電平有效的本地中斷請求，支持中斷共享。支持長度達(dá)240字節(jié)的I/O端口。支持本地硬件定址功能，自由選擇I/O地址，并在指定地址實(shí)現(xiàn)I/O端口。基于CH365的財(cái)稅安全卡硬件電路圖如圖1。

在本設(shè)計(jì)中，所使用的存儲器是華邦公司的W27C512，64K容量。存儲器容量根據(jù)安全卡擴(kuò)展程序的大小選擇更大的存儲器，如128K等。EEPROM是Atmel公司的AT24C02，支持寫保護(hù)功能，能夠有效防止信息被篡改。圖1的財(cái)稅安全卡的硬件電路核心器件是PCI接口芯片CH365、W27C512和AT24C02，CH365的部分引腳連線直接與金手指(電路板和插槽之間的連接點(diǎn))相連。

CH365通過MEM_RD與ROM芯片U2(27C512)連接。CH365支持EPROM和閃存，容量為32KB或者64KB，如果將SYS_EX用于A16地址線，則最大容量可達(dá)128KB。一般情況下CH365直接支持32KB容量的擴(kuò)展ROM(即27C256芯片的容量)，但可以在擴(kuò)展ROM的程序中通過控制A15地址線支持64KB容量的ROM芯片?？蛇x的下拉電阻R1用于CH365的工作模式設(shè)定，圖中的數(shù)據(jù)線D0被連接了下拉電阻，所以系統(tǒng)復(fù)位后，地址線A15為低電平，從而選擇U2的低32KB(偏移地址為0000H～7FFFH)，而在需要讀取U2的高32KB時(偏移地址為8000H～0FFFFH)，可以通過寫芯片控制寄存器的位0重新設(shè)定A15地址線來訪問ROM的高字節(jié)。

圖2：CH365的讀寫時序。

另外，PCI擴(kuò)展ROM的內(nèi)容通常被BIOS復(fù)制到RAM內(nèi)存中，所以需要設(shè)置CH365的擴(kuò)展ROM基址以重新映射U2到存儲器空間。

CH365通過SYS_EX與EPPROM芯片U3(型號是AT24C02)連接，CH365的SCL信號線可以選用SYS_EX或者A15，系統(tǒng)復(fù)位后的默認(rèn)選擇是A15，通常在A15用作地址線時選用SYS_EX，否則選用A15。因?yàn)镾DA信號線同時是數(shù)據(jù)線D7，為了防止在SCL高電平期間由于SDA變化而產(chǎn)生不必要的誤操作，通常借助于工作模式設(shè)定使SCL信號線(SYS_EX或A15)在系統(tǒng)復(fù)位后保持低電平。CH365的兩線串行接口使用7位設(shè)備地址，可以同時連接多個設(shè)備。設(shè)備地址和命令寄存器的位7至位1為7位設(shè)備地址位，用以選擇從設(shè)備；位0為命令位，置0代表寫操作，置1代表讀操作。本設(shè)計(jì)中連接一個設(shè)備，通過數(shù)據(jù)線D7保存相關(guān)的硬盤引導(dǎo)分區(qū)的信息，同時通過“LOCK”信號可以對設(shè)備進(jìn)行寫保護(hù)，防止信息篡改等。CH365的讀寫時序如圖2。

財(cái)稅安全卡的擴(kuò)展程序設(shè)計(jì)

PC機(jī)中的擴(kuò)展ROM相當(dāng)于一個電子盤，如果在其中寫入引導(dǎo)程序和應(yīng)用程序，即使計(jì)算機(jī)沒有硬盤和操作系統(tǒng)，擴(kuò)展ROM中的引導(dǎo)程序和應(yīng)用程序也能夠控制計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)某些特定的功能。例如，無硬盤PC機(jī)用于工業(yè)控制，控制外部設(shè)備及作業(yè)流程等。

財(cái)稅安全卡就是應(yīng)用到PCI總線的擴(kuò)展ROM，通過特定的擴(kuò)展引導(dǎo)應(yīng)用程序，在計(jì)算機(jī)啟動進(jìn)入硬盤時有效地接管和控制硬盤引導(dǎo)，以達(dá)到動態(tài)分隔硬盤空間將一個硬盤分成相互隔離，互不干擾的多個硬盤空間，可以根據(jù)用戶需求引導(dǎo)進(jìn)入相應(yīng)的系統(tǒng)和使用相應(yīng)的空間。

擴(kuò)展引導(dǎo)應(yīng)用程序主要包括PC引導(dǎo)控制權(quán)接管模塊、動態(tài)隔離硬盤空間模塊，多系統(tǒng)引導(dǎo)模塊(其中包含I2C讀寫模塊)。通過豐富擴(kuò)展引導(dǎo)引用程序，可以實(shí)現(xiàn)基于BIOS級的系統(tǒng)分區(qū)備份、系統(tǒng)數(shù)據(jù)備份、系統(tǒng)拷貝等功能。

1. PC引導(dǎo)控制權(quán)接管的實(shí)現(xiàn)

在PC的BIOS自檢中，硬件設(shè)備檢測正常通過后，就開始把系統(tǒng)引導(dǎo)控制權(quán)即根據(jù)用戶指定的啟動順序遞交給軟盤、硬盤或光驅(qū)啟動。以從C盤啟動為例，系統(tǒng)BIOS將讀取并執(zhí)行硬盤上的主引導(dǎo)記錄，主引導(dǎo)記錄接著從分區(qū)表中找到第一個活動分區(qū)，然后讀取并執(zhí)行這個活動分區(qū)的分區(qū)引導(dǎo)記錄，而分區(qū)引導(dǎo)記錄將負(fù)責(zé)讀取并執(zhí)行IO.SYS，這是DOS和Windows9x最基本的系統(tǒng)文件。

擴(kuò)展ROM程序首次獲得CPU控制權(quán),修改系統(tǒng)自舉中斷INT19以便在引導(dǎo)操作系統(tǒng)前被初始化，重新編寫新INT19中斷服務(wù)程序，使用INT7B中斷向量作為返回地址。

BOOT_ROM_INIT: PUSH DX；保存寄存器

PUSH BX

MOV DH, 80H；位7置1則自動檢測主板的BIOS

MOV DL, 0FFH；指定初始化方式,為0FFH則自動檢測

MOV BX, OFFSET ROM_INT19；指定新INT19程序的偏移地址_ROM_INT19,

CALL INIT_ROM；ROM初始化程序，返回DL為實(shí)際使用的初始化方式

POP BX

POP DX

RETF；ROM初始化完成后返回，必須是遠(yuǎn)程返回

2. 動態(tài)隔離硬盤空間的實(shí)現(xiàn)

可以利用硬盤特性“AddressOffsetMode”和“SetMax”來有效地縮小硬盤空間，使得動態(tài)隔離硬盤空間，其中通過獲取硬盤I/O端口的基址來設(shè)置硬盤最大邏輯塊尋址(LBA)地址。傳統(tǒng)的縮小硬盤空間采用的是隱藏分區(qū)，通過修改系統(tǒng)分區(qū)表的系統(tǒng)標(biāo)志位達(dá)到隱藏分區(qū)效果，此方法安全性低，不能有效地隔離硬盤，在財(cái)稅安全方面達(dá)不到安全性能要求。

3. 多系統(tǒng)引導(dǎo)模塊的實(shí)現(xiàn)

多系統(tǒng)引導(dǎo)根據(jù)用戶選擇啟動相應(yīng)的系統(tǒng)，去選擇相應(yīng)的引導(dǎo)程序，這里有別于計(jì)算機(jī)多重引導(dǎo)啟動(邏輯隔離)原有的系統(tǒng)引導(dǎo)程序，它是簡單的單分區(qū)單系統(tǒng)啟動模式，即固定讀入硬盤活動分區(qū)引導(dǎo)記錄以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的引導(dǎo)，而活動分區(qū)是相對固定的。重寫的系統(tǒng)引導(dǎo)程序?qū)崿F(xiàn)了多分區(qū)多系統(tǒng)啟動模式，可以將硬盤任一分區(qū)視作活動分區(qū)，讀入該分區(qū)引導(dǎo)記錄以引導(dǎo)系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)中采用的是通過加載多重引導(dǎo)信息扇區(qū)，檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性，在加載過程中動態(tài)設(shè)置硬盤分區(qū)信息。