CN103760892A - 一种嵌入式可信计算平台及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种嵌入式可信计算平台及其检测方法，平台包括加密芯片模块、可信芯片模块、测控应用系统模块、手持终端应用系统模块、可信芯片子模块、复位控制电路、测控应用MCU最小系统模块、GPIO、USB、电路原型区、以太网/WiFi、SD/CF卡、模拟IO、串口、电源/电池、LCD/键盘和音频。方法包括：1)可信芯片与应用MCU建立通信；2)验证可信芯片与应用MCU的控制接口；3)验证可信芯片和应用MCU的通讯接口；4)进行检测；5)进行控制。本发明适用多种不同应用环境开发；可快速原型实现；能控制应用系统状态，实现主动可信防御；能检测应用系统状态，实现整个运行过程可信防御。

Description

一种嵌入式可信计算平台及其检测方法

技术领域

本发明属于电力可信硬件开发平台，具体讲涉及一种嵌入式可信计算平台及其检测方法。

背景技术

可信平台中有可能有多种内核MCU和OS，所以存在平台需求要比PC可信平台需求更灵活。为了明确MCU可信计算芯片需要搭建一个验证平台来测试验证需求。

平台使用1～2款具体有接口全面的MCU配合加密芯片来模拟可信芯片的功能和接口。在验证中分别使用1～3种接口连接3～5常见MCU做验证。

现有技术中，TPM只是一个被动的芯片并仅支持PC平台，不能支持电力可信中复杂的主动要求和多种MCU的。没有能支持嵌入式电力可信开发的平台。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种嵌入式可信计算平台及其检测方法。本发明模块化设计支持变化方案，支持多种通讯连接。能使用多种应用MCU；支持复位监视、复位控制和可信通信的原理电路设计。支持主动式可信开发和验证。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种嵌入式可信计算平台，其改进之处在于，所述平台包括加密芯片模块、可信芯片模块、测控应用系统模块、手持终端应用系统模块、可信芯片子模块、复位控制电路、测控应用MCU最小系统模块、GPIO、USB、电路原型区、以太网/WiFi、SD/CF卡、模拟IO、串口、电源/电池、LCD/键盘和音频。

优选的，所述最小系统包括MCU、晶振、复位电路/PoR/BoD、程序存储器、通信接口和调试接口。

优选的，所述可信芯片子模块包括可信芯片模拟MCU、晶振、复位电路、存储器、应用MCU连接通信、控制接口、加密子模块接口和调试接口。

进一步地，所述可信芯片子模块上能够插接不同加密芯片子模块，用于验证加密算法。

本发明基于另一目的提供的一种嵌入式可信计算平台检测方法，其改进之处在于，所述方法包括

1)可信芯片与应用MCU建立通信；

2)验证可信芯片与应用MCU的控制接口；

3)验证可信芯片和应用MCU的通讯接口；

4)进行检测；

5)进行控制。

优选的，所述步骤（2）包括验证可信芯片所需要的控制接口，用于控制应用MCU的工作状态的IO管脚，用于应用MCU认证时使应用MCU无法正常工作。

优选的，所述控制接口包括侦测应用MCU状态的输入部分、侦测应用MCU状态是否被窃取或模拟和控制MCU进入无法工作状态。

优选的，所述步骤（3）包括验证可信芯片和应用MCU的通讯，并完成可信算法通信的通讯接口功能，其包括：应用MCU的验证通讯、应用MCU运行状态、可支持使用不同的通讯接口、侦测应用MCU通讯状态是否被窃取或模拟。

优选的，所述步骤（4）包括进行MCU复位状态监测、MCU系统片外存储检测和防范接口管脚物理攻击检测。

优选的，所述步骤（5）包括对应用MCU系统的强制控制、应用系统中片外存储的控制和应用系统中通信的控制。

进一步地，所述防范接口管脚物理攻击检测包括

（1）电路检测应用MCU复位电路中物理量；

（2）电路检测通信接口中物理量变化；

（3）应用MCU和可信芯片间连接有胶覆盖/BGA封装，用于安全集成时强制要求；

（4）根据应用MCU的Boot执行情况，进行度量。

与现有技术比，本发明的有益效果为：

1、本发明提供可信计算研发平台，适用多种不同应用环境开发。

2、本发明可快速原型实现。

3、本发明能控制应用系统状态，实现主动可信防御。

4、本发明能检测应用系统状态，实现整个运行过程可信防御。

附图说明

图1为本发明提供的一种嵌入式可信计算平台示意图。

图2为本发明提供的一种嵌入式可信计算平台中可信芯片子模块示意图。

图3为本发明提供的一种嵌入式可信计算平台中加密芯片子模块示意图。

图4为本发明提供的一种嵌入式可信计算平台中应用MCU系统的强制控制原理图。

具体实施方式

本发明平台使用1～2款具体有接口全面的MCU配合加密芯片来模拟可信芯片的功能和接口。在验证中分别使用1～3种接口连接3～5常见MCU做验证。

模拟MCU具体有GPIO，SPI Master，SPI Slave，UART，8位总线，16位总线；目前暂定应用MCU包括：8051内核、ARM9、ARM Cortex-M3（其他型号根据用户要求添加验证）。应用MCU模拟运行：Linix，uCLinux，uC/OS-II以及无OS固件。

底板主要包括供电、外扩IO、扩展存储和通讯接口。

供电部分要满足可能的Pad所需的LCD背光供电。

本发明平台具体包括加密芯片模块、可信芯片模块、测控应用系统模块、手持终端应用系统模块、可信芯片子模块、复位控制电路、测控应用MCU最小系统模块、GPIO、USB、电路原型区、以太网/WiFi、SD/CF卡、模拟IO、串口、电源/电池、LCD/键盘和音频。其中：

测控应用MCU最小系统模块

最小系统包括MCU、晶振和复位电路/PoR（Power-on Reset）/BoD(Brown-outDetector)、程序存储器、通信接口和调试接口。

模块内支持Linux和相应通讯程序包。开发环境为GNU GCC工具链。

可信芯片模块

可信芯片模块在可信芯片没有最终发布前可以使用模拟可信模块。可信芯片发布后完成Pin-Pin兼容模块直接替换。两种模块结构一致。

可信芯片子模块

可信芯片模拟MCU、晶振和复位电路、存储器、和应用MCU连接通信和控制接口、加密子模块接口和调试接口。

可信芯片模拟模块上能够插接不同加密芯片子模块，以便验证加密算法时使用。

加密芯片模块

能够使用现有若干种加密芯片，并插接于可信芯片模块。通信接口使用目前加密芯片可以用接口，包括并口、SPI Master、SPI Slave、UART和并口。

可信芯片和应用系统中，可信芯片管理应用MCU的工作，所以可信芯片需要和应用MCU建立通信，验证应用MCU的启动权限和运行。

当应用MCU在启动和运行中出现未知状态，可信芯片立即干预应用系统运行，使之不能工作。

所以硬件接口上，可信芯片和应用MCU包括两类接口：通信接口和控制接口。

设计和验证可信芯片所需要的控制接口，用于控制应用MCU的工作状态的IO管脚，在对应用MCU认证的实效时候使应用MCU不能正常工作。

控制接口功能应包括：侦测应用MCU状态的输入部分、侦测应用MCU状态是否被窃取或模拟和控制MCU进入不能工作状态。

用于可信芯片和应用MCU的验证通讯，并完成可信算法要求的通信的通讯接口功能应包括：应用MCU的验证通讯、应用MCU运行状态、可支持使用不同的通讯接口、侦测应用MCU通讯状态是否被窃取或模拟。

控制接口

检测功能

MCU复位状态监测

通常MCU的复位为微秒级，所以检测电路需要有低电压脉宽测试功能。考虑到不同的应用MCU中复位电压和复位脉宽的变化。

因为可能要进行多个芯片的的检控，此功能应有多个输入。

MCU系统片外存储检测

通常片外SRAM会有电池供电（有部分片上MCU也有此功能）。对于Flash/SRAM在片外的应用MCU。

防范接口管脚物理攻击检测

防范接口管脚物理攻击检测的内容包括：

1)电路检测应用MCU复位电路中物理量（如：电流变化或者温度变化）。验证检测范围和应用中保护效果；

2)电路检测通信接口中物理量变化；

3)应用MCU和可信芯片间连接有胶(环氧树脂)覆盖/BGA封装，安全集成时强制要求；

4)根据应用MCU的Boot执行情况，进行度量。考虑Boot执行时MCU内部寄存器变化；侦测应用MCU状态是否被窃取或模拟。侦测电路的精度以及适用范围。针对不同的通讯接口特性需要有相应的保护办法和电路。

对于总线：所有链接在PCB中间层，并且尽量短。

对于SPI：同总线要求。

对于复位电路：

此电路为控制检测和控制双重功用，需要重点监测和控制。

使用多重物理量检测，包括电压、电流和线路温度。

检测电路包括电压检测、电流检测（使用电压检测信号加入采样电阻）、检测电流输入温敏电阻检测管脚的温度变化。

对于电池供电：因为此输入为供电输入，标准电压检测即可。

控制功能

应用MCU系统的强制控制

如图4所述，可信芯片有数个Digital output处于可信状态，在验签后输出设定的状态，否则控制应用MCU reboot或者Reset状态。

应用系统中片外存储的控制

在可信系统应禁止未经验证的对片外存储的操作，可信芯片使用DO控制应用系统片外芯片的‘写使能’。

控制部分与Reset控制相同。

应用系统中通信的控制

在可信系统应禁止未经验证的对片通信的操作，如系统中对外接口芯片有使能端。可信芯片使用DO控制应用系统片外芯片的‘使能’。

对于可信要求高的系统，可信芯片使用DO控制对外接口芯片中复位。可信芯片也可在应用MCU系统中控制对外接口芯片的复位。

对‘使能’和‘Reset’的控制同MCU的复位控制。

本地配置端口

根据国家可信计算标准草案，预留部分IO和通讯接口做本地配置使用。

IO可有可信芯片内部固件配置作为DI使用，用于拨码或者跳线。预留一部分本地配置通讯端口。建议USB OTG。

通信接口

典型通信接口的设计

不同通讯接口的基本通讯协议（并口、SPI、串口、I2C、ISO7816），考虑到可信芯片未来使用的兼容性和扩展，设计典型的通信接口。

典型使用SPI接口：

SPI，使用SPI Master，支持标准工作模式Mode0和Mode3。

其中通信协议包括：命令字+长度+数据+校验……，在开发平台上实现典型接口MAC层协议。

使用并口：

支持8位模式和支持16位模式，包括8位/16位数据线、若干数据线、片选、读使能、写使能。

　使用I2C：

其中通信协议包括：命令字+长度+数据+校验……。

　使用ISO7816接口：

兼容7816协议。在其中扩展相应的命令字和保留字。

其中通信协议包括：命令字+长度+数据+校验……。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (11)

1.一种嵌入式可信计算平台，其特征在于，所述平台包括加密芯片模块、可信芯片模块、测控应用系统模块、手持终端应用系统模块、可信芯片子模块、复位控制电路、测控应用MCU最小系统模块、GPIO、USB、电路原型区、以太网/WiFi、SD/CF卡、模拟IO、串口、电源/电池、LCD/键盘和音频。

2.如权利要求1所述的一种嵌入式可信计算平台，其特征在于，所述最小系统包括MCU、晶振、复位电路/PoR/BoD、程序存储器、通信接口和调试接口。

3.如权利要求1所述的一种嵌入式可信计算平台，其特征在于，所述可信芯片子模块包括可信芯片模拟MCU、晶振、复位电路、存储器、应用MCU连接通信、控制接口、加密子模块接口和调试接口。

4.如权利要求3所述的一种嵌入式可信计算平台，其特征在于，所述可信芯片子模块上能够插接不同加密芯片子模块，用于验证加密算法。

5.一种嵌入式可信计算平台检测方法，其特征在于，所述方法包括

1)可信芯片与应用MCU建立通信；

2)验证可信芯片与应用MCU的控制接口；

3)验证可信芯片和应用MCU的通讯接口；

4)进行检测；

5)进行控制。

6.如权利要求5所述的一种嵌入式可信计算平台检测方法，其特征在于，所述步骤（2）包括验证可信芯片所需要的控制接口，用于控制应用MCU的工作状态的IO管脚，用于应用MCU认证时使应用MCU无法正常工作。

7.如权利要求5所述的一种嵌入式可信计算平台检测方法，其特征在于，所述控制接口包括侦测应用MCU状态的输入部分、侦测应用MCU状态是否被窃取或模拟和控制MCU进入无法工作状态。

8.如权利要求5所述的一种嵌入式可信计算平台检测方法，其特征在于，所述步骤（3）包括验证可信芯片和应用MCU的通讯，并完成可信算法通信的通讯接口功能，其包括：应用MCU的验证通讯、应用MCU运行状态、可支持使用不同的通讯接口、侦测应用MCU通讯状态是否被窃取或模拟。

9.如权利要求5所述的一种嵌入式可信计算平台检测方法，其特征在于，所述步骤（4）包括进行MCU复位状态监测、MCU系统片外存储检测和防范接口管脚物理攻击检测。

10.如权利要求5所述的一种嵌入式可信计算平台检测方法，其特征在于，所述步骤（5）包括对应用MCU系统的强制控制、应用系统中片外存储的控制和应用系统中通信的控制。

11.如权利要求9所述的一种嵌入式可信计算平台检测方法，其特征在于，所述防范接口管脚物理攻击检测包括

（1）电路检测应用MCU复位电路中物理量；

（2）电路检测通信接口中物理量变化；

（3）应用MCU和可信芯片间连接有胶覆盖/BGA封装，用于安全集成时强制要求；

（4）根据应用MCU的Boot执行情况，进行度量。

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