為基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行安全升級(jí)

　　如何防止器件“磚頭化”，只發(fā)出警告就夠了嗎？

　　“系統(tǒng)正在更新，請(qǐng)勿關(guān)閉電源。”我們都看到過(guò)這個(gè)警告，它通常在電子器件要在閃存安裝代碼更新時(shí)出現(xiàn)。如果更新被中斷，閃存將無(wú)法正確更新，代碼將會(huì)損壞，而器件無(wú)法運(yùn)行，即“磚頭化” （bricked）。這種大家熟悉的警告存在的原因，是因?yàn)槭褂瞄W存的大多數(shù)半導(dǎo)體器件在編程或擦除操作期間需要一直供電。顯然，防止器件“磚頭化”是非常重要的。但是，只發(fā)出警告就夠了嗎？有些嵌入式器件甚至都沒(méi)有用戶顯示器，因此無(wú)法產(chǎn)生警告。在設(shè)計(jì)中如何才能確保可靠且安全的遠(yuǎn)程系統(tǒng)更新呢？

　　嵌入式系統(tǒng)遠(yuǎn)程升級(jí)的重要性

　　遠(yuǎn)程升級(jí)對(duì)連接的嵌入式系統(tǒng)日益重要。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程修復(fù)漏洞或增加新特性，可以節(jié)省大量的維護(hù)費(fèi)用；當(dāng)部署數(shù)千個(gè)嵌入式系統(tǒng)時(shí)，維護(hù)便是一個(gè)大問(wèn)題了。隨著嵌入式系統(tǒng)安全問(wèn)題的不斷增加，通過(guò)遠(yuǎn)程安全定向代碼升級(jí)來(lái)修復(fù)潛在安全漏洞變得愈發(fā)重要。顯然，升級(jí)必須安全地完成，否則，攻擊算法便很容易利用不安全的更新來(lái)破壞系統(tǒng)。下面是一個(gè)典型系統(tǒng)的示例，有助于更好地了解安全可靠的遠(yuǎn)程升級(jí)設(shè)施的要求。

　　系統(tǒng)示例——控制平面橋

　　通信或網(wǎng)絡(luò)機(jī)箱內(nèi)的控制平面橋（Control Plane Bridge），是需要遠(yuǎn)程更新的常見(jiàn)系統(tǒng)示例。這種子系統(tǒng)匯集了許多低速外設(shè)，比如模擬傳感器、電源管理模塊、風(fēng)扇、故障記錄存儲(chǔ)器和利用I2C、SPI和GPIO接口的狀態(tài)輸出。然后，可以采用速度更快的總線——可能是通信和連網(wǎng)機(jī)箱內(nèi)很常見(jiàn)的子系統(tǒng)接口PCIe，與低速外設(shè)直接通信。這種機(jī)箱控制子系統(tǒng)能夠?qū)嵤┲悄軈R聚功能，當(dāng)規(guī)定啟動(dòng)點(diǎn)被激活，例如到達(dá)最高溫度或最低電壓水平時(shí)，便會(huì)“推進(jìn)”通信。圖1所示就是這樣一個(gè)系統(tǒng)，它是用配備片上微控制器的FPGA （通常稱為SoC FPGA） 實(shí)現(xiàn)的。

　　圖1 經(jīng)PCIe遠(yuǎn)程升級(jí)的機(jī)箱控制平面橋

　　FPGA和閃存

　　在上面的例子中，遠(yuǎn)程更新經(jīng)由PCIe總線實(shí)現(xiàn)，但并未對(duì)編程期間可能出現(xiàn)的斷電進(jìn)行保護(hù)。讓我們看看常見(jiàn)的FPGA實(shí)施類型，從而更好地防范閃存遠(yuǎn)程更新過(guò)程中突然斷電時(shí)可能出現(xiàn)的重大故障。

　　幾乎每個(gè)基于FPGA的系統(tǒng)都需要采用某種形式的非易失性存儲(chǔ)器來(lái)儲(chǔ)存配置存儲(chǔ)。一般說(shuō)來(lái)，配置存儲(chǔ)器位于芯片外或芯片上?；赟RAM的FPGA需要外部閃存，用于上電時(shí)的配置?；陂W存的FPGA可以使用嵌在FPGA結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)嵌入閃存FPGA）內(nèi)的配置存儲(chǔ)器，或使用基于SRAM的結(jié)構(gòu)，但將一個(gè)閃存塊放在芯片上（側(cè)面閃存FPGA）。

　　基于SRAM的FPGA通常使用NOR SPI閃存，因?yàn)樗牡囊_數(shù)最少，幾家供應(yīng)商有同樣的引腳輸出，而且密度高達(dá)1 Gb。目前的NOR SPI閃存器件擁有32位地址選擇，可擴(kuò)展成為4GB器件，而且不需要改變指令和控制協(xié)議。當(dāng)這種SPI閃存處于程序或擦除模式 （電荷泵啟動(dòng)） 且電力消失時(shí)，會(huì)發(fā)生什么事情呢？電荷在哪里消失？是否有電路檢測(cè)到這些閃存的電力故障并將電荷安全地引導(dǎo)到地面？一般說(shuō)來(lái)，正被寫入的頁(yè)面將出現(xiàn)數(shù)據(jù)損壞。

　　圖2 三種FPGA配置圖：帶外部配置閃存的基于SRAM的FPGA、側(cè)面閃存FPGA和嵌入閃存FPGA

　　側(cè)面閃存FPGA系統(tǒng)采用較寬的片上數(shù)據(jù)總線在上電時(shí)載入基于SRAM的配置存儲(chǔ)。通常，這種方法載入配置比基于SRAM的FPGA要快，因?yàn)楹笳呤遣捎猛獠块W存來(lái)配置器件的。但是，這種方法存在程序或擦除周期期間功率損失的問(wèn)題。電荷去了哪里？閃存是否被破壞？是否僅寫入頁(yè)面被破壞？整個(gè)閃存都存在風(fēng)險(xiǎn)？FPGA是否能夠檢測(cè)被破壞的片上存儲(chǔ)器，或者，在上電期間，被破壞的數(shù)據(jù)是否被載入到配置存儲(chǔ)器內(nèi)？

　　閃存的破壞是個(gè)問(wèn)題，如何確保遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的安全也非常重要。當(dāng)嵌入式產(chǎn)品可由終端用戶訪問(wèn)時(shí)，就存在被篡改的可能。為了防止攻擊，必須同時(shí)采用軟件和硬件的安全功能。僅對(duì)遠(yuǎn)程配置數(shù)據(jù)文件進(jìn)行加密遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。雖然這種軟件加密安全有用，但是還必須將解密數(shù)據(jù)的硬件 （FPGA） 置于安全保護(hù)內(nèi)。當(dāng)用戶訪問(wèn)嵌入式器件時(shí)，加密數(shù)據(jù)文件很容易被提取。利用價(jià)格便宜的電磁探針和進(jìn)行差分功耗分析 （DPA） 即可實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。采用這種方法提取FPGA安全密匙的例子很多。如果FPGA并未內(nèi)置DPA對(duì)抗措施，則任何遠(yuǎn)程更新都存在安全風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)用戶能夠訪問(wèn)嵌入式產(chǎn)品時(shí)，如果沒(méi)有DPA對(duì)抗措施，便如同中門大開，沒(méi)有安全可言。

　　在嵌入閃存的FPGA中，配置儲(chǔ)存在芯片上，并緊密集成在FPGA結(jié)構(gòu)內(nèi)。例如，在美高森美SmartFusion2和IGLOO2 flash FPGA上，可經(jīng)由外部通信端口如USB、PCIe或JTAG等進(jìn)行編程，整個(gè)編程過(guò)程由片上專用編程接口管理。此外，SmartFusion2和IGLOO2 FPGA使用了一種稱為“在應(yīng)用中編程”（IAP）的高級(jí)編程機(jī)制，即便在編程期間有功率損耗的情況下，仍可提供可靠且安全的編程。讓我們看看如何采用IAP機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)目前嵌入式系統(tǒng)需要的可靠遠(yuǎn)程升級(jí)的能力。

　　在基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)可靠且安全的遠(yuǎn)程更新

　　嵌入閃存的FPGA可以提供更容易支持安全可靠的遠(yuǎn)程更新所需的關(guān)鍵功能。例如，SmartFusion2擁有實(shí)施關(guān)鍵橋接功能及安全和IAP功能需要的所有主流FPGA特點(diǎn)。如圖3所示，低速接口可以采用I2C和GPIO連接。高速主機(jī)接口PCIe則作為不需要FPGA結(jié)構(gòu)的專用端口。

　　圖3 SmartFusion2“在應(yīng)用中編程”（IAP）支持機(jī)箱控制平面橋，以實(shí)現(xiàn)安全可靠的遠(yuǎn)程更新

　　片上處理器可以利用高速存儲(chǔ)子系統(tǒng)（HSMS）訪問(wèn)大型內(nèi)部閃存來(lái)進(jìn)行代碼儲(chǔ)存，訪問(wèn)大型內(nèi)部SRAM來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)緩沖，而專用DDR控制器則在有需要時(shí)訪問(wèn)其它外部存儲(chǔ)器。專用系統(tǒng)控制器提供編程期間使用的安全功能，以及遠(yuǎn)程更新期間使用的IAP功能。圖4詳細(xì)描述了SmartFusion2 FPGA上可以提供的關(guān)鍵功能。

　　圖4 美高森美SmartFusion2 SoC FPGA擁有主流特點(diǎn)及可靠的安全和遠(yuǎn)程更新能力

　　利用“在應(yīng)用中編程”來(lái)實(shí)現(xiàn)安全可靠的升級(jí)

　　SmartFusion2和IGLOO2提供的IAP機(jī)制是一種安全可靠地遠(yuǎn)程更新配置比特流的方法。IAP在FPGA內(nèi)由專用系統(tǒng)控制器執(zhí)行，因此并不需要使用任何FPGA結(jié)構(gòu)或其它用戶可配置邏輯。IAP功能采用一個(gè)外部SPI閃存器件，是一個(gè)兩步過(guò)程。在第一步中，外部SPI閃存器件通過(guò)任何可用的接口，比如PCIe、USB、JTAG甚至以太網(wǎng)，用需要的比特流編程。用于SmartFusion2器件編程的所有比特流都進(jìn)行了加密，以確保它們不會(huì)被篡改。

　　在第二步中，系統(tǒng)控制器通過(guò)系統(tǒng)服務(wù)請(qǐng)求執(zhí)行IAP服務(wù)。用戶向系統(tǒng)控制器提供指針，指向外部SPI閃存內(nèi)比特流位置的初始地址。IAP系統(tǒng)服務(wù)請(qǐng)求也有三個(gè)用戶選項(xiàng)：認(rèn)證、編程或驗(yàn)證。認(rèn)證通常是在FPGA配置存儲(chǔ)器編程之前執(zhí)行的，以驗(yàn)證SPI閃存內(nèi)的比特流適用于正在編程的器件。在認(rèn)證期間，器件正常運(yùn)行。

　　包含新比特流的外部SPI閃存還包含一個(gè)額外的鏡像，即用作恢復(fù)目的的一個(gè)好版本。用戶可以在任何時(shí)間點(diǎn)使用恢復(fù)鏡像將FPGA配置為良好狀態(tài)?；謴?fù)鏡像可以 “原樣”保存，也可在需要時(shí)進(jìn)行更新以便用于關(guān)鍵漏洞的修復(fù)。

　　IAP功能實(shí)施期間可以使用程序恢復(fù)功能。若編程期間斷電，啟動(dòng)編程恢復(fù)，系統(tǒng)控制器會(huì)以可控的方式將編程FPGA的內(nèi)部電荷泵禁動(dòng)。在接下來(lái)的供電周期中，在啟動(dòng)FPGA結(jié)構(gòu)之前，系統(tǒng)控制器將檢測(cè)到器件編程操作已經(jīng)被中斷，它將從外部SPI閃存中的比特流啟動(dòng)編程周期。用戶可選擇從好的鏡像進(jìn)行更新或從剛剛推送到SPI閃存的遠(yuǎn)程更新鏡像進(jìn)行更新。當(dāng)外部比特流被載入到SmartFusion2 FPGA內(nèi)時(shí)，它采用內(nèi)置的DPA對(duì)抗邏輯，以確保沒(méi)有電磁探針能夠?qū)⒓用艹捉饷埽瑥亩鵀榍度胧较到y(tǒng)提供可信任的安全器件。

　　與安全加密比特流和比特流驗(yàn)證一起使用，程序恢復(fù)可提供目前連接的嵌入式系統(tǒng)需要的安全可靠的遠(yuǎn)程編程更新機(jī)制，即使FPGA配置存儲(chǔ)器在編程的過(guò)程中斷電也一樣。