基于FPGA专用板和MEMS强链实现SATA硬盘身份认证系统的设计

信息安全对于企业、政府、国防等部门有着极其重要的意义。一般现有的认证方法都通过存储介质保存密码，使用比较器比对输入密码正确与否，此方法保密性差，易于破解。本文通过特有的MEMS强链和百万门级的FPGA来对SATA硬盘进行身份认证。实现物理加密。密码转换为相应的密钥并以机械结构的形式成为MEMS强链的核心部位，即根据齿轮组的运行完成对密码的比较，来完成对口令的验证，利用PCI9054芯片快速完成对口令和MEMS返回值的传输．根据密码所形成的控制流由FPGA对MEMS强链进行控制。整个系统快速、简洁、安全性高。

1 系统的总体构成

该系统由主机、物理认证的FPGA专用板和MEMS强链组成，其中主机里面装有连接和扫面模块和用于存储重要数据的SATA硬盘；物理认证FPGA专业板包括：PCI控制器、FPGA、SATA硬盘、EEPROM PCI配置芯片、MEMS控制模块、密码处理模块和MEMS密码锁驱动电路等构成。图1描述了整个系统的硬件布局。

基于FPCA专用板和MEMS强链实现SATA硬盘身份认证系统的设计

图1 系统结构框架图

本文使用MEMS密码锁特有的机械结构产生相应的反馈信号，用此反馈信号参与物理认证系统。计算机中装有两块硬盘，一块硬盘直接与主板IDE口相连。其中装有操作系统，数据是普通数据，进入不需要物理认证，可以直接读取。另一块是SATA硬盘，它通过连接和控制模块与主板SATA接口相连，开机后，由于与硬盘相连的数据线是断开状态，则该硬盘不可见。此硬盘需通过MEMS密码锁认证，若认证通过，产生一个反馈信号，此反馈信号由物理认证的FPGA专用板通过PCI控制器传给主机，主机来对反馈值进行判断，若密码正确，主机开启连接和扫描硬件模块，把与SATA硬盘相连的数据线接上，同时进行扫描硬件改动，这样SATA硬盘就被系统识别。

主窗口显示从键盘输入密码，然后主机通过插在PCI插槽上的PCI控制器，PCI控制器主要是由PLX公司的PCI9054芯片构成，它和FPGA都受板上50MHz系统时钟的控制。通过PCI控制器把密码传输到FPGA内部的PCI本地控制器，由PCI本地控制器将密码传给FPGA，由FPGA根据得到的密码来驱动MEMS驱动电路，MEMS驱动电路驱动MEMS强链根据输入的密码来运行，如果密码正确，也就是驱动电路的指令与MEMS强链内部结构固化的密码一样，密码锁就能正确走完，然后返回Ox000000FF（十进制的255）；如果密码错误，MEMS强链被卡死，并返回0。同时PCI本地控制器将返回值再通过PCI9054传送回主机，并在主窗口上显示。如果返回信号是0x000000FF的话，启动联接控制程序，实现扫描资源管理器，接通SATA硬盘，正常传输数据。

2 MEMS强链与其相关的控制模块

MEMS强链的棘爪能卡住棘轮，从而能精确定位到固定的位置，棘爪装有电磁驱动型电机，使其具有误码鉴别与自复位功能，因而可用于信息安全，实现密码锁的功能。鉴码机构由两组电磁型微步进电机驱动反十涉齿轮集A和B，反干涉码轮集中机械周化了密码。反干涉齿轮集在正确解码时，码齿之间互相没有接触；当出现错码时，码齿相互干涉，反干涉齿轮集卡死。使用光电耦合机构，在正确接收到24位密码时光电能量耦合，系统开启。图2是MSMS强链结构图。

图2 MEMS强链组织结构图

MEMS密码锁控制模块以PCI协议通讯方式与FPGA和MEMS密码锁驱动电路进行通讯，它是用Verilog HDL语占写的控制FPGA运行的指令模块，它存储在EPCS1中，系统上电后开始工作。EEPROM PCI配置芯片通过内部的PCI驱动程序正确驱动PCI控制器．完成主机与PCI控制器控制信号、地址线和数据线的配置，使PCI控制器正常工作，PCI控制器把PCI总线上的指令转化为PCI局部总线端指令，由局部总线指令控制I/O扩展芯片，I/O扩展芯片根据局部总线指令输出控制字到MEMS密码锁驱动电路驱动MEMS密码锁解码，解码的同时MEMS密码锁反馈信号，密码处理模块读取MEMS密码锁发来的反馈信号，判断正确码或是错误码的来临，若取得32位正确码，发送反馈信号到FPGA，FPGA把获得的反馈值经PCI控制器传给主机，主机启动联接和扫描硬件模块，SATA硬盘被系统识别。

3 PCI控制器

PCI控制器主要由PCI9054芯片和EEPROM PCI芯片组成。它支持主模式、从模式、DMA传输方式。本文利用PCI9054在C模式下传输32位的密码和32位返回值。工作时间的写入时序图如图3。本地总线周期可是是single周期或突发周期，BLAST# 信号被用于决定是一个single周期被执行还是一个突发周期被执行。本地总线Initiator（本地总线访问内存和I/O）访问PCI9054必须是对32位non-pipelined总线才可以。其中，LA是地址总线；LD是数据总线；LBE是字节使能信号。

图3 PCI Initiator状态下写时序图

BLAST#、READY#、ADS#和FPGA相连。只有在ADS信号在高电平，BLAST在低电平，LWR为高电平。LA［31：2］为高时，表明PCI9054开始一个有效的写数据周期，同时，FPGA使写标志有效，并把数据放到本地总线上，此时本地总线上才接收到由外部总线上写入的数据。只有在ADS信号为高，BLAST为低，LWR信号为低，同时LA［3l：2］接受到地址时，表明PCI9054开始一个有效的读数据周期，同时，下位机的FPGA使读使能有效，并把返回值放到本地总线上，LD［3l：0］才能接收到数据。

EEPROM PCI配置芯片与PCI控制器直接相连。通过存储在配置芯片内部的PCI驱动程序正确驱动PCI控制器，完成主机与PCI控制器控制信号、地址线和数据线的配置，使PCI控制器正常工作。

4 Altera Cyclone FPGA

Cyclone系列现场可编程门阵列是基于1.5V，O.13μm．全铜互联SRAM T艺，最高内嵌20，060个逻辑单元、最大288 Kbits RAM。内置锁相环和一个专用双倍速率（DDR）界面支持用以双倍速率同步动态随机存储器（DDR SDRAM）和快速循环动态随机存储器（FCRAM，Cyclone可以提供低功耗的数据链路解决方案。cvclone支持多种标准的I/O（输入输出），支持ASSP和ASIC设备。支持多种IP核。

5 SATA硬盘

SATA，是由Intel、IBM、Dell、APT、Maxtor和Seagate公司共同提出的硬盘接口规范。SATA规范将硬盘的外部传输速率理论值提高到了150MB/s。SATA的优势是支持热插拔，传输速度快，执行效率高等。

热插拔是最希望看到的功能，但是现在的SATA硬盘的热插拔并不是想象中的把硬盘在开机的状态下接入主机，就能正常的传输数据，而是需要启动资源管理器，进行“扫描检测硬件改动”的操作后才能正常识别硬盘盘符。根据这个情况，本文设计了“连接与扫描硬件改动模块”代替手动的“扫描检测硬件改动”操作。该硬盘有数据线和电源线，在开始的时候，只接通电源线，用软件来控制数据线是否连接，当物理认证通过后，主机启动连接和扫面硬件模块，连接上数据线。然后使主机自动枚举检测所有的硬件，看是否有新硬件安装，有就使其正常联接使用。若密码错误，主机不启动该模块，继续保持数据线断开，SATA硬盘还是不可见。

6 软件实现

软件有两部分，首先是上位机控制部分，该部分是用VC++写的上位机窗口对话框和联接控制程序；下位机控制部分主要是本地PCI控制程序、FPGA驱动程序以及MEMS强链控制程序，该部分是用verilog HDL编写，调试成功之后烧写在与FPGA相连的只读存储器EPCS1里面。上位机和下位机的控制程序通过PCI9054有机的联接在一起。

首先用户点击主窗口的用户对话框，在上面的编辑框内输入密码，点击“确认”按钮，主机将数据放在总线上，同时FPGA内部的本地总线控制器不断的检测ADS信号，BLAST信号，LWR读写信号信号，和LA［3l：2］地址总线信号，当他们满足写有效时，表明FPGA可以接收数据，于是数据通过本地总线将密码数据传到FPCA内部指定的寄存器里面，同时由MEMS控制模块根据所得的密码来控制MEMS强链，若密码与MEMS强链内部结构密码一致，MEMS强链走完全程，FPGA返回八位1（即十进制的255），接着启动连接和扫描硬件程序扫描硬件，SATA硬盘就被系统识别，所加密硬盘的盘符在我的电脑中显现。如果密码错误的话，MEMS强链被卡死，返回0。为了增加可视化．本地总线控制器当检验到ADS信号，BLAST信号，LWR信号．和LA［3l：2］读有效时将返回值返回到主窗口的“返回值”编辑框中。

当输入正确的密码，这里我们设置的正确密码是12345678，上位机先把密码传如到下位机存储起来，时序图见图4，ld数据总线上的数据是12345678，当密码与固化的密码比较以后，正确的话返回255，如图5所示。