CN102136082A

CN102136082A - 一种高速低功耗的安全sd卡

Info

Publication number: CN102136082A
Application number: CN2010106111673A
Authority: CN
Inventors: 周玉洁; 陈诚; 朱念好
Original assignee: SHANGHAI AISINO CHIP ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Shanghai Hangxin Electronic Technology Co ltd
Priority date: 2010-12-29
Filing date: 2010-12-29
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2030-12-29
Also published as: CN102136082B

Abstract

一种高速低功耗的安全SD卡，包含主控芯片，以及分别与所述主控芯片连接的安全芯片和存储芯片；所述主控芯片，提供该安全SD卡与外部设备的接口；所述主控芯片通过SPI接口与所述安全芯片连接。本发明实现高速加解密的同时，在安全芯片不工作时切断其电源，避免静态功耗。为了减少动态功耗，本发明还在每次任务完成后，将安全芯片的片内时钟停掉；在后一任务开始前，再利用唤醒信号来激活该时钟，从而继续工作。对于安全芯片内与所执行任务不相关的模块，将关闭该模块的系统时钟。另外，对于没有性能要求的任务，可以降低系统频率；而对于性能要求高的任务，将提高系统频率。

Description

一种高速低功耗的安全SD卡

技术领域

本发明涉及一种电子设备终端的外扩存储载体，特别涉及一种用于个人计算终端的可以做身份认证和数据加解密的安全SD卡（安全数码卡）。

背景技术

随着半导体技术和信息技术的不断发展，人们的日常工作生活越来越依赖互联网，而开放型的互联网协议和脆软的PC桌面操作系统使得信息安全问题成为互联网应用进步的主要障碍。尽管有各种各样的杀毒软件和安全工具，但这些安全软件主要也是基于PC计算技术的，安全保护存在限制。

因此，像网络银行这样安全性要求极高的应用，人们会借助USBKey等安全硬件设备来登入和操作。USBKey主要用来存储数字证书，并在USBKey内部进行签名认证；同时USBKey的密钥永远不能导出，这样保证了通信交互的安全性。

近几年随着3G的发展，移动互联网迅速兴起，越来越多的人使用智能手机或PAD（平板电脑）等，通过3G或WIFI进入移动互联网。于是人们通过该些移动设备进行在线交易时，自然也需要类似于USBKey的安全硬件。然而，现有的智能手机和PAD其一般仅设置有SD接口，可以外扩TF卡，但很少能使用USBKey。因此很难将USBKey直接应用于移动设备。

所谓的安全数码卡（以下简称安全SD卡），或mini SD卡、MicroSD卡（TF卡），就是在普通SD存储卡的基础上增加安全功能，主要体现在密钥产生、存储和管理，数字签名认证、数据加解密等。

现有一种安全SD卡的实现结构中，在SD卡的主控芯片上集成所述安全功能，其封装简单、芯片工作效率高。但是，需要使用eflash工艺制造所述主控芯片，成本较高。而且，为了跟进不断发展的NandFlash工艺，该主控芯片上的NandFlash接口也需要不断地更新；而固件的频繁更新对SD卡的安全性会有一定影响。

现在还有一种分离式的安全SD卡，其将SD卡的主控芯片与一安全芯片封装在一起，通过专门的接口进行通信。由于，主控芯片及安全芯片是相互分离的，封装相对复杂，且对如加解密等一些安全功能的实现会受到一定限制。但是安全芯片相对独立，可专注于安全COS部分的实现；不需要因为SD接口兼容性和Nandflash兼容性等问题而经常更新固件甚至硬件，因而分离式安全SD卡的安全性更好。

然而，目前市场上已有的分离式安全SD卡，主要采用ISO7816等低速接口作为SD卡的主控芯片与安全芯片的接口通道，无法实现高速的加解密功能，很难满足像警务、电子政务等对加密性能要求更高的应用。同时，使用该类安全芯片的功耗（静态功耗和工作功耗）比较高，对于移动终端来说是严重的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种高速低功耗的安全SD卡，对分离式的安全SD卡结构进行改进，提升其加解密性能；同时能有效降低安全SD卡的静态及动态功耗，使其可更好地适用于移动终端设备

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种高速低功耗的安全SD卡，包含主控芯片，以及分别与所述主控芯片连接的安全芯片和存储芯片；所述主控芯片，提供该安全SD卡与外部设备的接口；所述主控芯片通过SPI接口与所述安全芯片连接。

所述存储芯片是Nandflash存储芯片，其通过Nandflash接口与所述主控芯片连接。

为了对应连接作为主机的所述主控芯片与作为从机的所述安全芯片，所述SPI接口包含：主机输出/从机输入数据线MOSI，主机输入/从机输出数据线MISO，串行时钟线SCK，以及从机选择线SS。

所述主控芯片向安全芯片发送读操作的命令，安全芯片响应并向主控芯片返回其数据值和状态值；或者，所述主控芯片向安全芯片发送写操作的命令，该命令包含需要写入的数据值；所述安全芯片响应该命令并向主控芯片返回其状态值。

所述主控芯片向安全芯片发送进入加解密操作的命令，安全芯片响应并向主控芯片返回其状态值；

主控芯片将待加密或解密处理的上层数据，分成每组长度相同的若干数据组，并连续发送至安全芯片；所述安全芯片接收并对每组数据做加解密处理后回传给主控芯片，再接收和处理下一组数据；

所述主控芯片向安全芯片发送解除加解密操作的命令，安全芯片响应并向主控芯片返回其状态值。

所述主控芯片还通过一电源输出线PWR，与所述安全芯片的工作电源端VDDH对应连接；与外部电源连接的所述主控芯片，通过所述电源输出线PWR向所述安全芯片提供工作电源，并在所述安全芯片不工作时切断其电源，以避免静态功耗。

所述主控芯片还通过一唤醒输出线Wakeup，与所述安全芯片的复位端RST连接；在每个任务执行完成后，安全芯片的系统时钟被禁止；而在下一个任务开始之前，所述主控芯片发送唤醒信号来激活该安全芯片的系统时钟；当时钟稳定以后再开始该新任务的命令交互。

所述安全芯片在响应所述主控芯片的命令时，对于安全芯片内部不需要工作的模块，其时钟将由所述主控芯片关闭。

所述安全芯片的时钟频率，可根据其所响应的主控芯片命令对性能要求的高低进行调整；对于性能要求高的命令，主控芯片将把所述安全芯片的主频提高；而对于性能要求低的命令，将把其主频降低。

本发明所述高速低功耗的安全SD卡，其优点在于：相比现有普通的安全SD卡使用的ISO7816接口、UART或IIC等低速接口，本发明提供的安全SD卡，通过高速的SPI接口连接相分离的主控芯片与安全芯片，可实现高速加解密，并可以将密码算法性能提升5倍以上。

对于功耗优化，普通的安全SD卡通常是在安全芯片不工作时进入休眠，工作时候通过中断唤醒，优化级别很低。与之相比，本发明通过下述优化，在工作时的平均电流可以下降40%以上。

首先，本发明在安全芯片不工作时切断其电源，因而完全没有静态功耗。

同时，本发明在包含IDLE状态和执行状态的工作过程中，在每次命令交互完成后，将安全芯片的片内时钟停掉；在后一任务开始前，再利用主控芯片提供的唤醒信号来使能安全芯片内部的时钟，从而可以继续工作。

而且，本发明中，对于安全芯片内与所执行任务不相关的模块，将关闭该模块的系统时钟。另外，对于没有性能要求的任务，可以降低系统频率；而对于性能要求高的任务，将提高系统频率。

附图说明

图1是本发明所述高速低功耗的安全SD卡的总体结构示意图；

图2是本发明所述高速低功耗的安全SD卡中主控芯片与安全芯片具体连接的示意图；

图3是本发明所述高速低功耗的安全SD卡中主控芯片对安全芯片的低功耗控制示意图。

具体实施方式

以下结合附图说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明所述高速低功耗的安全SD卡100中，集成有主控芯片10、安全芯片20和Nandflash存储芯片30。

其中，主控芯片10提供安全SD卡100与外部设备的接口。该主控芯片10，通过SPI接口21（串行外设接口）与所述安全芯片20连接，还通过Nandflash接口31与所述Nandflash存储芯片30连接。

如图2所示，所述SPI接口21具体使用4条线，来连接所述主控芯片10（即以下所述主机）与所述安全芯片20（即以下所述从机）上的对应端口，包含：主机输出/从机输入数据线MOSI，主机输入/从机输出数据线MISO，串行时钟线SCK，以及低电平有效的从机选择线SS。

通过该高速的SPI接口21，本发明可实现如下的若干交互操作：所述主控芯片10向安全芯片20发送命令，安全芯片20响应并向主控芯片10返回其状态值，即状态反馈操作，此时不涉及数据值的传输。还可以是，安全芯片20接收所述命令，将数据值和状态值一起返回至主控芯片10，即主控芯片10对安全芯片20的读操作。或者，主控芯片10将命令及其中待写入的数据值一起发送至安全芯片20，安全芯片20仅需返回状态值，即主控芯片10对安全芯片20的写操作。

尤其是在执行加密或解密操作时，主控芯片10发送的上层数据，需要在安全芯片20中进行加解密后返回，若交替采用上述读操作和写操作则效率很低。为了保证数据的快速传输，并能做到实时的误码检测，本发明在第一阶段，由所述主控芯片10以上述状态反馈操作方式，告知安全芯片20进入加解密操作模式。

第二阶段，主控芯片10将待处理的上层数据，分成每组长度500字节、1000字节或其他任意值的若干数据组，并连续发送至安全芯片20；安全芯片20接收并对每组数据做加解密处理后回传给主控芯片10，再接收和处理下一组数据。

回传数据时，首先回传一数据头HEAD，再回传处理好的有效加解密数据，最后回传若干无效数字。该无效数字的使用与安全芯片20的SPI接口端特性有关，不同的安全芯片20回传的无效数字个数会有差异，甚至没有。该无效数字会被主控芯片10过滤。

第三阶段，所述主控芯片10再以上述状态反馈操作方式，告知安全芯片20解除加解密操作模式。

安全SD卡100的功耗主要包括了静态功耗和动态功耗，静态功耗即安全芯片20不工作时候的功耗，动态功耗则是安全芯片20工作时候的功耗。针对移动设备对功耗的苛刻要求，本发明的解决方案如下。

所述主控芯片10通过一电源输出线PWR，与所述安全芯片20的工作电源端VDDH对应连接；该主控芯片10与外部电源连接，向所述安全芯片20提供3.3V的电源使其工作。若主控芯片10在10分钟内没有收到安全芯片20的任何响应或反馈，则判断安全芯片20不工作，此时，主控芯片10可以切断安全芯片20电源，以避免静态电流损耗，所以本发明中安全芯片20完全没有静态功耗。

安全芯片20的动态功耗包括了两部分，即安全芯片20在执行某个任务时消耗的电流，以及在前后两个任务之间消耗的电流。针对前者，由于安全芯片20工作过程中，每次响应不同命令会需要不同的模块工作；对于不需要工作的模块，所述主控芯片10将关闭该模块的时钟。另外，不同命令对性能要求也不一样，对于性能要求高的命令，主控芯片10将把主频提高；而对于性能要求低的命令，将把主频降低，这些操作都是实时透明的。

针对后者，所述主控芯片10还通过一唤醒输出线Wakeup，与所述安全芯片20的复位端RST连接，由主控芯片10发送唤醒信号，使安全芯片20退出低功耗的休眠状态。

具体地，配合参见图2、图3所示，标识（1）是本发明通过所述SPI接口21执行任务时的命令交互；标识（2）是所述安全芯片20通过串行时钟线SCK上获取的系统时钟，标识（3）是主控芯片10向安全芯片20发送的唤醒信号。

可以看到，本发明中，在上一个任务X执行完成后，安全芯片20的系统时钟被禁止，使其进入彻底休眠状态；而在下一个任务Y开始之前，主控芯片10通过拉低唤醒信号，来激活安全芯片20的系统时钟；当时钟稳定以后再开始该新任务Y的命令交互，以此类推。通过上述的精细优化可大大减少安全芯片20的动态功耗。

综上所述，相比现有普通的安全SD卡使用的ISO7816接口、UART或IIC等低速接口，本发明提供的安全SD卡100，通过高速的SPI接口21连接相分离的主控芯片10与安全芯片20，可实现高速加解密，并可以将密码算法性能提升5倍以上。

对于功耗优化，普通的安全SD卡通常是在安全芯片20不工作时进入休眠，工作时候通过中断唤醒，优化级别很低。与之相比，本发明通过下述优化，在工作时的平均电流可以下降40%以上。

首先，本发明在安全芯片20不工作时切断其电源，因而完全没有静态功耗。

同时，本发明在包含IDLE状态和执行状态的工作过程中，在每次命令交互完成后，将安全芯片20的片内时钟停掉；在后一任务开始前，再利用主控芯片10提供的唤醒信号来使能安全芯片20内部的时钟，从而可以继续工作。

而且，本发明中，对于安全芯片20内与所执行任务不相关的模块，将关闭该模块的系统时钟。另外，对于没有性能要求的任务，可以降低系统频率；而对于性能要求高的任务，将提高系统频率。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims

1.一种高速低功耗的安全SD卡，其特征在于，包含主控芯片（10），以及分别与所述主控芯片（10）连接的安全芯片（20）和存储芯片（30）；所述主控芯片（10）提供该安全SD卡与外部设备的接口；所述主控芯片（10）通过SPI接口（21）与所述安全芯片（20）连接。

2.如权利要求1所述高速低功耗的安全SD卡，其特征在于，所述存储芯片（30）是Nandflash存储芯片，其通过Nandflash接口（31）与所述主控芯片（10）连接。

3.如权利要求1所述高速低功耗的安全SD卡，其特征在于，为了对应连接作为主机的所述主控芯片（10）与作为从机的所述安全芯片（20），所述SPI接口（21）包含：主机输出/从机输入数据线MOSI，主机输入/从机输出数据线MISO，串行时钟线SCK，以及从机选择线SS。

4.如权利要求3所述高速低功耗的安全SD卡，其特征在于，所述主控芯片（10）向安全芯片（20）发送读操作的命令，安全芯片（20）响应并向主控芯片（10）返回其数据值和状态值；或者，所述主控芯片（10）向安全芯片（20）发送写操作的命令，该命令包含需要写入的数据值；所述安全芯片（20）响应该命令并向主控芯片（10）返回其状态值。

5.如权利要求3所述高速低功耗的安全SD卡，其特征在于，所述主控芯片（10）向安全芯片（20）发送进入加解密操作的命令，安全芯片（20）响应并向主控芯片（10）返回其状态值；

主控芯片（10）将待加密或解密处理的上层数据，分成每组长度相同的若干数据组，并连续发送至安全芯片（20）；所述安全芯片（20）接收并对每组数据做加解密处理后回传给主控芯片（10），再接收和处理下一组数据；

所述主控芯片（10）向安全芯片（20）发送解除加解密操作的命令，安全芯片（20）响应并向主控芯片（10）返回其状态值。

6.如权利要求3所述高速低功耗的安全SD卡，其特征在于，所述主控芯片（10）还通过一电源输出线PWR，与所述安全芯片（20）的工作电源端VDDH对应连接；与外部电源连接的所述主控芯片（10），通过所述电源输出线PWR向所述安全芯片（20）提供工作电源，并在所述安全芯片（20）不工作时切断其电源，以避免静态功耗。

7.如权利要求3所述高速低功耗的安全SD卡，其特征在于，所述主控芯片（10）还通过一唤醒输出线Wakeup，与所述安全芯片（20）的复位端RST连接；在每个任务执行完成后，安全芯片（20）的系统时钟被禁止；而在下一个任务开始之前，所述主控芯片（10）发送唤醒信号来激活该安全芯片（20）的系统时钟；当时钟稳定以后再开始该新任务的命令交互。

8.如权利要求3所述高速低功耗的安全SD卡，其特征在于，所述安全芯片（20）在响应所述主控芯片（10）的命令时，对于安全芯片（20）内部不需要工作的模块，其时钟将由所述主控芯片（10）关闭。

9.如权利要求3所述高速低功耗的安全SD卡，其特征在于，所述安全芯片（20）的时钟频率，可根据其所响应的主控芯片（10）命令对性能要求的高低进行调整；对于性能要求高的命令，主控芯片（10）将把所述安全芯片（20）的主频提高；而对于性能要求低的命令，将把其主频降低。