基于NiosⅡ的U盤安全控制器設計

　　2 安全控制器硬件架構的設計實現

　　本設計采用USB接口芯片+FPGA的方案來實現安全控制器的硬件架構，通過微處理器器對USB接口芯片的控制即可實現USB通信。采用USB接口芯片有助于降低開發(fā)費用，縮短系統(tǒng)的開發(fā)周期。

　　2.1 USB接口芯片選型

　　本設計中，安全控制器既要實現USB Host的功能，又要實現USB Device的功能。因此，若能采用一片USB接口芯片實現兩者的功能，則有助于降低硬件系統(tǒng)的復雜性。綜合USB芯片的功能需求、價格、硬件復雜性等因素，本設計選用NXP公司的ISP1761作為USB接口芯片。

　　ISP1761是一個單芯片的高速USB OTG 控制器，在其單芯片上集成了一個OTG控制器、一個主機控制器和一個外設控制器，主機和外設控制器兼容USB2.0協議，并支持480 Mb/s的高速傳輸。ISP1761有3個USB接口，接口1可以被配置為Host接口、Device接口或者OTG接口，接口2、3只能被配置為Host接口。在OTG模式下，ISP1761的接口1可通過跳線靈活配置成Host接口或Device接口。ISP1761可以直接與目前市場上的大多數帶尋址功能的微處理器直接連接，微處理器通過讀寫ISP1761內部的寄存器或存儲器即可實現USB通信功能。ISP1761支持DMA傳輸，可以提高數據的吞吐率[4]。

　　2.2 控制器整體硬件架構

　　安全控制器整體硬件架構如圖3所示，由SoPC模塊和ISP1761芯片及按鍵組成。SoPC模塊使用Altera公司提供的開發(fā)工具SoPC Builder生成，主要由NiosⅡ控制器、內存、加解密模塊、JTAG、ISP1761控制器、鎖相環(huán)、PIO控制器和DMA控制器組成。

　　NiosⅡ控制器作為整個系統(tǒng)的核心，完成對各個模塊的調度和控制;鎖相環(huán)為系統(tǒng)各個模塊提供所需要的時鐘;加解密模塊完成數據流的加解密功能;ISP1761控制器則用來連接NiosⅡ控制器和ISP1761芯片，通過該控制器，NiosⅡ處理器可以訪問ISP1761芯片內部的寄存器和存儲器;DMA控制器負責PC機到控制器、控制器到U盤的數據傳輸，提高數據傳輸速率。ISP1761芯片分別連接主機和U盤，在NiosⅡ的控制下實現USB Host接口和USB Device接口的功能。

　　3 安全控制器固件的設計實現

　　3.1 固件模塊及層次的劃分

　　安全控制器固件實際上是運行于NiosⅡ處理器上的COS(Chip Operating System)，主要負責監(jiān)控USB Host接口及USB Device接口的狀態(tài)，解析PC機發(fā)出的命令，對系統(tǒng)各個模塊進行調度，實現PC機到U盤間的數據通信，完成數據流的加解密。

　　安全控制器固件主要包括初始化模塊、USB Host模塊、USB Device模塊、DMA模塊、密碼模塊等。各模塊的功能如下：

　　(1)初始化模塊：安全控制器系統(tǒng)的啟動;ISP1761芯片接口的配置，將接口1配置成USB Host接口，接口2配置成USB Device接口。

　　(2)USB Host模塊[5]：檢測USB接口芯片Host接口的狀態(tài)，檢測U盤的插入和移除等;向插入的USB設備發(fā)出標準的USB標準命令，獲取設備描述符、配置描述符、接口描述符、端點描述符等;向插入的USB設備發(fā)出USB MassStorage類命令，獲取設備的容量等基本信息及對設備進行讀寫操作。

　　(3)USB Device模塊：向PC機報告USB設備的插入;響應PC機發(fā)出的標準的USB命令，返回相應的數據，如各種描述符等。此時返回的描述符應為安全控制器的描述符;響應PC機發(fā)出的USB MassStorage命令，返回設備的基本信息，此時返回的基本信息應為U盤的信息。

　　(4)加解密模塊[6]：身份認證方案的實現，如用戶口令的保存、更改等;加解密算法的高速實現及密鑰的保護等。

　　(5)DMA模塊：DMA控制器的配置、啟動等。

　　安全控制器固件層次劃分如圖4所示，主要包括硬件抽象層、USB協議層和批量傳輸層。硬件抽象層主要實現NiosⅡ處理器對外設的讀寫以及對ISP1761芯片內部寄存器和存儲器的訪問;USB協議層通過對ISP1761芯片的控制實現USB協議;批量傳輸層則實現MassStorage類的操作，通過Bulk-In和Bulk-Out端點，完成CBW、數據、CSW的傳輸。安全控制器在批量傳輸層對數據進行扇區(qū)級的加解密操作，不進行文件系統(tǒng)級的解析。

　　3.2 整體工作流程

　　以一次PC機向U盤寫數據的過程為例，U盤安全控制器的工作流程如圖5所示。

　　(1)U盤安全控制器初始化;

　　(2)循環(huán)檢測ISP1761芯片Host接口的狀態(tài)，判斷是否有USB設備插入;

　　(3)若檢測到USB設備，判斷設備是否是USB MassStorage類設備;

　　(4)若是USB MassStorage類設備，則向PC機報告設備的插入，否則返回步驟(2);

　　(5)安全控制器響應PC機發(fā)出的命令，包括USB標準命令和Mass Storage類命令，返回描述符及所插入設備的基本信息;

　　(6)PC機發(fā)出寫(Write10)命令及數據，安全控制器將數據加密，然后向U盤轉發(fā)寫命令及加密后的數據;

　　(7)一次傳輸過程結束。

　　本文針對USB存儲設備的安全問題，利用SoPC技術，設計實現了U盤安全控制器，并在terasic公司的DE3開發(fā)板上得到驗證。結果表明，該控制器將普通U盤升級為安全U盤，保證U盤中的數據都以密文形式存在，方便快捷、安全性高，具有廣泛的應用前景。下一步重點是研究密碼方案，如身份認證方案的設計、密鑰的保護及加解密算法的高速實現等。