CN101561857B - 多模式启动的安全嵌入式系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多模式启动的安全嵌入式系统,用于保障嵌入式系统在进行多模式启动时,令系统安全地进入用户指定模式。本发明在系统上电后,系统根据安全特征控制器中的安全特征值来判别系统的启动模式,如果安全特征控制器未保存安全特征值,则根据启动模式选择信号和启动模式控制寄存器来选择系统的启动模式。不同的安全特征值可以对嵌入式系统的启动方式进行不同安全级别的设置。利用本发明既可以实现嵌入式系统的多模式启动,也可以保证在需要保护的工作模式下系统内固件和硬件的安全,适应了目前对嵌入式系统多应用,同时又兼顾了安全性的需求。
Description
技术领域
本发明涉及嵌入式微处理器应用系统(简称“嵌入式系统”),尤其涉及一种多模式启动的安全嵌入式系统。该系统能够保障嵌入式系统在进行多模式启动时,令系统安全地进入用户指定模式。
背景技术
随着集成电路设计的发展,单个芯片上所集成的功能越来越多,单芯片的功能也越来越强大。同一芯片,只要更改其启动方式,配置相应的工作电压或时钟等,就可以令其工作在不同的模式。在这种情况下,同一芯片根据应用的不同,既可以配置成为日常手机中使用的SIM卡的芯片,也可以配置成为U盘的控制芯片。芯片的多模式应用极大地拓展了同一芯片的应用范围,也延长了同一芯片的生存周期。此外,嵌入式系统的多模式启动还有其他诸多优点,如固件安全升级、嵌入式系统更强的容错功能等。这是因为,由于拥有多模式启动的方法,嵌入式系统可以在某一种模式失效的情况下,仍然使用其他模式继续进行工作,这既增强了嵌入式系统的容错功能,也为安全升级固件提供了条件。
伴随着芯片的多模式应用而来的是其安全性。对于不同应用来说,其启动代码也是不尽相同的,其中有些应用可能会存放一些敏感信息或代码。如果芯片在某一模式下存有敏感信息或代码,而芯片又可以从另外一种模式获取这些敏感信息或代码,这显然会造成安全信息的泄漏。因此,对多模式应用的芯片来说,如何保障芯片在某些模式下运行时的信息安全是一个关键问题。
发明内容
本发明提供一种多模式启动的安全嵌入式系统,要解决的技术问题是保障嵌入式系统在多模式启动时的安全性。
为达到上述目的,本发明采用的技术方案是:一种多模式启动的安全嵌入式系统,包括:
CPU,作为嵌入式系统的控制和执行单元;
各功能模块,用于嵌入式系统实现开发时的调试功能、生产时的测试功能和使用时的应用功能;
启动模式选择信号,用于嵌入式系统从启动模式选择信号端来选择多模式中任意一种启动模式;
启动模式控制寄存器,该控制寄存器与启动模式选择信号连接,用于映射启动模式选择信号获得的信息;
系统总线,用于嵌入式系统内CPU与各功能模块、启动模式控制寄存器之间的信号连接;
其创新在于:嵌入式系统中设有一个安全特征控制器和一个系统功能模块使能控制器;
安全特征控制器设有一个用于保存安全特征值的非挥发性存储单元和逻辑译码电路,所述安全特征值用于定义多模式嵌入式系统启动时需要的安全特征,该安全特征值由启动模式代码和功能模块控制代码组成,其中,启动模式代码表示嵌入式系统按多模式中选定的一种启动模式进行启动的信息,功能模块控制代码表示在选定的一种启动模式下对各功能模块使能状态进行配置的信息,功能模块控制代码通过逻辑译码电路在安全特征控制器的输出端产生一组针对每个功能模块使能或不使能的控制信号;
系统功能模块使能控制器用于控制嵌入式系统中各功能模块使能状态,系统功能模块使能控制器设有一组对应各功能模块设置的寄存器,各寄存器的数据输入端对应连接所述控制信号,各寄存器的数据输出端与对应的功能模块的使能端相连;
在安全特征控制器中的非挥发性存储单元未保存安全特征值情况下,嵌入式系统按照启动模式选择信号选择的任意一种启动模式通过启动模式控制寄存器的配置进行启动,并且系统功能模块使能控制器在此情况下将各功能模块均默认配置成使能状态;当安全特征控制器中的非挥发性存储单元保存有安全特征值时,不论启动模式选择信号选择那种启动模式,嵌入式系统将按照安全特征值中启动模式代码规定的启动模式进行启动,同时系统功能模块使能控制器也将按照安全特征值中功能模块控制代码规定的配置对各功能模块使能状态进行安全控制。
上述技术方案的有关内容解释如下:
1、上述方案中,所述嵌入式系统的启动模式主要有下列三种类型:
(1)从芯片内部FLASH启动。
(2)从芯片外部存储器启动。
(3)从芯片外部通讯设备启动。
但也不排除其它的可能性,实际应用中可以再增加启动模块定义。
2、上述方案中,所述“启动模式选择信号”和“启动模式控制寄存器”为多模式启动嵌入式系统中的现有技术,其中启动模式选择信号用于在多模式嵌入式系统的信号端来选择启动模式;启动模式控制寄存器与启动模式选择信号连接,用于获取启动模式配置信息。
3、上述方案中,所述“各功能模块”主要指下列三种类型的模块:
(1)在嵌入式系统开发时用于调试软件程序的模块,比如JTAG控制器。
(2)在嵌入式系统开发或生产时用于测试性能或质量的模块,比如FLASH测试控制器。
(3)在嵌入式系统使用时的应用模块,比如作为SIM卡控制芯片的应用模块、作为U盘控制芯片的应用模块等等。
4、上述方案中,所述逻辑译码电路对存储在非挥发性存储单元中的功能模块控制代码进行逻辑译码,使安全特征控制器产生面向系统功能模块使能控制器的输出控制信号,该输出控制信号经系统功能模块使能控制器完成针对每一个功能模块的使能或不使能的控制。
5、上述方案中,为了提高安全性,本发明嵌入式系统在启动之后,可以通过CPU读取启动模式控制寄存器的启动模式值与读取启动模式代码值进行比较来决定是否删除写入FLASH的敏感信息。当两者不一致时表示此时使用者有嫌疑需要删除写入FLASH的敏感信息。
由于上述技术方案运用,本发明与现有技术相比具有下列优点和效果:
1、本发明在系统上电后,系统根据安全特征控制器中的安全特征值来判别系统的启动模式,如果安全特征控制器未保存安全特征值,则根据启动模式选择信号和启动模式控制寄存器来选择系统的启动模式。不同的安全特征值可以对嵌入式系统的启动方式进行不同安全级别的设置。利用本发明既可以实现嵌入式系统的多模式启动,也可以保证在需要保护的工作模式下系统内固件和硬件的安全,适应了目前对嵌入式系统多应用,同时又兼顾了安全性的需求。
2、本发明在硬件上提供了嵌入式系统选择多模式功能的方案,具有嵌入式系统多模式启动的所有优点,同时,本发明系统功能模块使能控制器对系统内不同功能模块的控制是由安全特征值决定的,这种控制行为在嵌入式系统运行之后不会被软件改变,从硬件上保证了嵌入式系统启动的安全性,因此在实际应用中能够确保嵌入式系统按需要的模式进行安全启动,保护芯片内的敏感信息。
附图说明
附图1为本发明实施例多模式启动的安全嵌入式系统原理图;
附图2为本发明实施例启动模式控制寄存器示意图;
附图3为本发明实施例安全特征控制器中的非挥发性存储单元示意图;
附图4为本发明实施例系统功能模块使能控制器中的一组寄存器示意图。
以上附图中:101、启动模式控制寄存器;102、安全特征控制器;103、系统功能模块使能控制器;104、启动模式选择信号;105、CPU;106、系统总线;107、JTAG控制器;108、FLASH测试模式控制器;109、SIM卡应用模块;110、U盘应用模块;201、启动模式控制字段;202、安全特征值字段;203、各功能模块控制位。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述:
实施例:一种多模式启动的安全嵌入式系统
图1为本发明实施例多模式启动的安全嵌入式系统原理图,从图1中看出该系统具有以下组成部分:
1、CPU 105,作为嵌入式系统的控制和执行单元。
2、启动模式选择信号104,用于嵌入式系统从启动模式选择信号端来选择多模式中任意一种启动模式。
3、启动模式控制寄存器101,该控制寄存器与启动模式选择信号104连接,用于映射启动模式选择信号104获得的信息。
4、各功能模块由下列功能模块组成:
(1)JTAG控制器107,用于实现开发时的软件程序调试功能,在对芯片进行系统开发时,需要使用JTAG控制器107来调试系统。
(2)FLASH测试控制器108,用于实现开发或生产时性能或质量测试功能。FLASH测试控制器108在系统处于测试模式时,用于将内部FLASH的信号连接至芯片的特定信号端口。在对芯片的成品测试时,芯片内部功能模块的测试模式往往是必要的。
(3)SIM卡控制器109,用于实现使用时的应用功能。
(4)U盘控制器110,用于实现使用时的应用功能。
5、安全特征控制器102,该安全特征控制器102设有一个用于保存安全特征值的非挥发性存储单元和逻辑译码电路,所述安全特征值用于定义多模式嵌入式系统启动时需要的安全特征,该安全特征值由启动模式代码和功能模块控制代码组成,其中,启动模式代码表示嵌入式系统按多模式中选定的一种启动模式进行启动的信息,功能模块控制代码表示在选定的一种启动模式下对各功能模块使能状态进行配置的信息,功能模块控制代码通过逻辑译码电路在安全特征控制器102的输出端产生一组针对每个功能模块使能或不使能的控制信号,即逻辑译码电路对存储在非挥发性存储单元中的功能模块控制代码进行逻辑译码,使安全特征控制器102产生面向系统功能模块使能控制器103的输出控制信号,该输出控制信号经系统功能模块使能控制器103完成针对每一个功能模块的使能或不使能的控制。
所述安全特征控制器中保存安全特征值的非挥发性存储单元主要有以下三种类型:
(1)FLASH存储单元,比如将安全特征值存储在系统内部FLASH的某一特定地址处,并且定义FLASH对该地址的数据只读,不可写。
(2)一次性OTP存储单元是指一次性编程存储设备(OTP,one timeprogrammable),该存储设备可一次性写入数据,不可修改。
(3)ROM存储单元是只读存储器,在出厂时做好,只读不可修改。
6、系统功能模块使能控制器103,该控制器用于控制嵌入式系统中各功能模块使能状态。系统功能模块使能控制器103设有一组对应各功能模块设置的寄存器,各寄存器的数据输入端对应连接所述控制信号,各寄存器的数据输出端与对应的功能模块的使能端相连。
7、系统总线106,用于嵌入式系统内CPU 105与各功能模块、启动模式控制寄存器101、安全特征控制器102之间的信号连接。
本发明嵌入式系统在安全特征控制器102中的非挥发性存储单元未保存安全特征值情况下,嵌入式系统按照启动模式选择信号104选择的任意一种启动模式通过启动模式控制寄存器101的配置进行启动,并且系统功能模块使能控制器103在此情况下将各功能模块均默认配置成使能状态;当安全特征控制器102中的非挥发性存储单元保存有安全特征值时,不论启动模式选择信号104选择那种启动模式,嵌入式系统将按照安全特征值中启动模式代码规定的启动模式进行启动,同时系统功能模块使能控制器103也将按照安全特征值中功能模块控制代码规定的配置对各功能模块使能状态进行安全控制。
图2为本发明实施例启动模式控制寄存器示意图,图中启动模式控制字段201用来定义嵌入式系统启动时的模式。
图3为本发明实施例安全特征控制器中的非挥发性存储单元示意图,图中安全特征值字段202用来映射安全特征值。
图4为本发明实施例系统功能模块使能控制器中的一组寄存器示意图,图中各功能模块控制位203表示针对各功能模块配置的使能状态控制位,其中FN0是JTAG控制器107使能位,FN1是FLASH测试控制器108使能位,FN2是SIM卡控制器109使能位,FN3是U盘控制器110使能位。使模块功能有效时,相应控制位是“1”,使模块功能无效时,相应控制位是“0”。
本实施例中启动模式有三种:第一种是从芯片内部FLASH启动,第二种是从外部存储器启动,第三种是从外部通讯设备启动。本实施例中使用的系统时钟为内部时钟。本实施例中安全特征值有四个:
安全特征值SC1,表示从芯片内部FLASH启动且使能JTAG控制器107功能、使能FLASH测试控制器108功能、无效SIM卡控制器109功能、使能U盘控制器110功能。
安全特征值SC2,表示从芯片内部FLASH启动且使能JTAG控制器107功能、无效FLASH测试控制器108功能、无效SIM卡控制器109功能、使能U盘控制器110功能。
安全特征值SC3,表示从芯片内部FLASH启动且无效JTAG控制器107功能、使能FLASH测试控制器108功能、无效SIM卡控制器109功能、使能U盘控制器110功能。
安全特征值SC4,表示从芯片内部FLASH启动且无效JTAG控制器107功能、无效FLASH测试控制器108功能、无效SIM卡控制器109功能、使能U盘控制器110功能。
这里安全特征值SC1,SC2,SC3,SC4称之为特征码。
下面以安全特征值为特征码SC4对本实施例多模式启动的安全嵌入式系统的工作过程进行描述:
A1、系统启动前,用户根据需要在启动模式选择信号104定义启动模式。上述三种启动模式可以用2个端口信号runmode[1]和runmode[0]来表示,如表1所示:
表1本实施例的芯片启动模式配置端口定义
runmode[1:0] | 对应的启动模式 |
00 | 从芯片内部FLASH启动 |
01 | 从芯片外部存储器启动 |
10 | 从芯片外部通讯设备启动 |
11 | 未定义 |
如果用户希望从芯片内部FLASH启动,则在芯片模式配置端口将启动模式选择信号104的runmode[1]配置为“0”,runmode[0]配置为“0”;如果用户希望从芯片外部存储器启动,则在芯片模式配置端口将启动模式选择信号104的runmode[1]配置为“0”,runmode[0]配置为“1”;如果用户希望从芯片外部通讯设备启动,则在芯片模式配置端口将启动模式选择信号104的runmode[1]配置为“1”,runmode[0]配置为“0”。
A2、当芯片启动模式选择信号104配置结束,嵌入式系统可以上电启动,启动模式控制寄存器101会将启动模式选择信号104的配置值映射到启动模式控制字段201中。比如在A1过程中,如果用户希望从芯片外部存储器启动,并配置runmode[1]为0,runmode[0]为1,则在A2过程时,启动模式控制字段201的值映射为01。
A3、此时,如果安全特征控制器102中的非挥发性存储单元未保存安全特征值,即安全特征值字段202中没有定义符合要求的安全特征值,不是特征码,嵌入式系统将根据A2过程中配置启动模式控制寄存器101的启动模式控制字段201要求作出判断:1)系统使用的时钟,本实施例中为内部时钟;2)系统启动的模式,根据步骤A2中的定义,系统应从芯片外部存储器启动,并且系统功能模块使能控制器103在此情况下将各功能模块均默认配置成使能状态。如果安全特征值定义了特征码SC4,不论启动模式选择信号104选择那种启动模式,嵌入式系统将按照安全特征值中启动模式代码规定的启动模式进行启动,同时系统功能模块使能控制器103也将按照安全特征值中功能模块控制代码规定的配置对各功能模块使能状态进行安全控制。此时,嵌入式系统将按照特征码SC4的要求从芯片内部FLASH启动且禁止JTAG控制器107功能、禁止FLASH测试控制器108功能、禁止SIM卡控制器109功能、使能U盘控制器110功能。各功能模块控制位203中FN0、FN1、FN2都为“0”,FN2为“1”。
从以上过程可以看出,当采用安全特征值定义了特征码SC4后,多模式嵌入式系统将会按照安全级别的要求进行启动,即使在芯片外部设定的启动模式不是从内部FLASH启动模式,系统仍会按照特征码SC4从内部FLASH启动,并且禁止JTAG控制器107、FLASH测试控制器108和SIM卡控制器109功能。禁止JTAG控制器107功能表明,当完成对芯片的系统开发之后,需要禁止芯片被跟踪调试;禁止FLASH测试控制器108功能表明,芯片在完成FLASH的测试之后,禁止FLASH再次被进行测试,这样可以防止已写入FLASH的敏感信息以测试方式被读取;禁止SIM卡控制器109功能表明,芯片在使用后不能以其它应用模块的名义启动并获得敏感信息。
为了提高安全性,本发明嵌入式系统在启动之后,CPU 105读取启动模式控制寄存器101和安全特征控制器102中启动模式代码的值,比较两者选择的启动模式是否一致,如果不一致,说明系统设定的启动模式被更改,可以采取一定的安全措施,比如CPU 105执行删除敏感区域数据的操作。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点,其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施,并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种多模式启动的安全嵌入式系统,包括:
CPU(105),作为嵌入式系统的控制和执行单元;
各功能模块,用于嵌入式系统实现开发时的调试功能、生产时的测试功能和使用时的应用功能;
启动模式选择信号单元(104),用于嵌入式系统从启动模式选择信号端来选择多模式中任意一种启动模式;
启动模式控制寄存器(101),该控制寄存器与启动模式选择信号单元(104)连接,用于映射启动模式选择信号单元(104)获得的信息;
系统总线(106),用于嵌入式系统内CPU(105)与各功能模块、启动模式控制寄存器(101)之间的信号连接;
其特征在于:嵌入式系统中设有一个安全特征控制器(102)和一个系统功能模块使能控制器(103);
安全特征控制器(102)设有用于保存安全特征值的非挥发性存储单元和逻辑译码电路,所述安全特征值用于定义嵌入式系统启动时需要的安全特征,该安全特征值由启动模式代码和功能模块控制代码组成,其中,启动模式代码表示嵌入式系统按多模式中选定的一种启动模式进行启动的信息,功能模块控制代码表示在选定的一种启动模式下对各功能模块使能状态进行配置的信息,功能模块控制代码通过逻辑译码电路在安全特征控制器(102)的输出端产生一组针对每个功能模块使能或不使能的控制信号,即逻辑译码电路对存储在非挥发性存储单元中的功能模块控制代码进行逻辑译码,使安全特征控制器(102)产生面向系统功能模块使能控制器(103)的输出控制信号,该输出控制信号经系统功能模块使能控制器(103)完成针对每一个功能模块的使能或不使能的控制;
系统功能模块使能控制器(103)用于控制嵌入式系统中各功能模块使能状态,系统功能模块使能控制器(103)设有一组对应各功能模块设置的寄存器,各寄存器的数据输入端对应连接所述控制信号,各寄存器的数据输出端与对应的功能模块的使能端相连;
在安全特征控制器(102)中的非挥发性存储单元未保存安全特征值情况下,嵌入式系统按照启动模式选择信号单元(104)选择的任意一种启动模式通过启动模式控制寄存器(101)的配置进行启动,并且系统功能模块使能控制器(103)在此情况下将各功能模块均默认配置成使能状态;当安全特征控制器(102)中的非挥发性存储单元保存有安全特征值时,不论启动模式选择信号单元(104)选择哪种启动模式,嵌入式系统将按照安全特征值中启动模式代码规定的启动模式进行启动,同时系统功能模块使能控制器(103)也将按照安全特征值中功能模块控制代码规定的配置对各功能模块使能状态进行安全控制。
2.根据权利要求1所述的安全嵌入式系统,其特征在于:所述安全特征控制器(102)中所设的非挥发性存储单元为FLASH存储单元、一次性OTP存储单元或只读ROM存储单元。
3.根据权利要求1所述的安全嵌入式系统,其特征在于:系统启动之后,CPU(105)读取启动模式控制寄存器(101)和安全特征控制器(102)中启动模式代码的值,比较两者选择的启动模式是否一致,如果不一致,说明系统设定的启动模式被更改,CPU(105)执行删除敏感区域数据的操作。
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Address after: Room C2031, Suzhou Pioneer Park, 209 Zhuyuan Road, Suzhou High-tech Zone, Jiangsu Province Patentee after: Suzhou Guoxin Technology Co., Ltd. Address before: Room C2031, Suzhou Pioneer Park, 209 Zhuyuan Road, Suzhou High-tech Zone, Jiangsu Province Patentee before: C*Core Technology (Suzhou) Co., Ltd. |