CN107967414A - 微控制芯片指令加密方法、解密方法及加/解密系统 - Google Patents

微控制芯片指令加密方法、解密方法及加/解密系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微控制芯片指令加密方法、解密方法及加/解密系统，涉及微控制芯片技术领域。该加密方法包括根据所述芯片内不可复制功能输出的数据和自定义数据生成秘钥；将生成的所述秘钥进行预设轮数的移位后与所述芯片的指令数据进行异或运算，并将异或运算得到的结果进行非线性查找表替换；将替换后的指令数据输出为密文数据。本发明技术方案通过将芯片内不可复制功能输出的数据以及自定义数据生成秘钥，使得每一颗芯片的秘钥都不一样；当对同样的指令数据进行加密时，得到的密文数据是不相同的，避免盗版者盗版芯片内的指令数据，增加了芯片数据的安全性能。

Description

微控制芯片指令加密方法、解密方法及加/解密系统
技术领域
本发明涉及微控制芯片技术领域，特别是涉及一种微控制芯片指令加密方法、解密方法及加/解密系统。
背景技术
微控制器片上系统软件是一个微控制器产品的必要组成部分，每一颗微控制器芯片都需要有片上系统软件支持才能完成相应功能。方案商和产品开发者需要投入大量的人力和财力才能开发出一套有竞争力的微控制器系统软件。但是目前很多微控制器芯片上的系统软件都面临着被盗版的威胁。
微控制器系统软件中的指令以二进制数据的形式存储于微控制器芯片中的非易失性存储器上，这些二进制的指令数据通常是明文数据或者是经过弱加密后的密文数据。盗版者可以通过进入测试工作模式或者把芯片开盖后盗取指令数据，然后再通过指令数据反编译出程序代码盗取部分系统程序，或者直接把系统软件中的指令数据烧录到同一款微控制器中盗版整个系统程序，会对产品开发者造成巨大的损失。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种微控制芯片指令加密方法、解密方法及加/解密系统，旨在增加微控制芯片内指令数据的安全性。
为实现上述目的，本发明提供一种微控制芯片指令加密方法，包括以下步骤：
根据所述芯片内不可复制功能输出的数据和自定义数据生成秘钥；
将生成的所述秘钥进行预设轮数的移位后与所述芯片的指令数据进行异或运算，并将异或运算得到的结果进行非线性查找表替换；
将替换后的指令数据输出为密文数据。
优选地，所述预设轮数大于等于一，所述密文数据为末轮非线性查找表的输出结果。
优选地，所述将异或运算得到的结果进行非线性查找表替换后还包括：
替换后的指令数据输出至下一轮，与该轮数移位后的秘钥进行异或运算，并将该异或运算得到的结果进行非线性查找表替换，再将替换后的指令数据输出，直至所述预设轮数的末轮。
优选地，所述将生成的所述秘钥进行预设轮数的移位后与所述芯片的指令数据进行异或运算还包括：
对所述指令数据进行置换操作，再将置换操作后的指令数据与移位后的秘钥做异或运算。
优选地，所述根据所述芯片内不可复制功能输出的数据和自定义数据生成秘钥还包括：
将所述不可复制功能输出的数据与所述自定义数据进行异或运算后，再将该异或运算的计算结果与所述指令数据的地址进行异或运算，以得到所述秘钥。
优选地，将该异或运算的计算结果与所述指令数据的地址进行异或运算还包括：
将所述指令数据的地址进行扩展运算后，再与所述异或运算的计算结果进行异或运算。
本发明还提供一种微控制芯片指令解密方法，包括以下步骤：
将密文数据进行非线性查找表逆替换，将逆替换后的密文数据与预设轮数的秘钥进行异或运算；
将异或运算得到的运算结果进行逆置换运算；
输出逆置换运算得到的指令数据。
优选地，所述预设轮数大于等于一。
优选地，所述输出逆置换运算结果至下一轮进行非线性查找表逆替换，直至预设轮数的末轮。
本发明还提供一种微控制芯片指令加/解密系统，所述系统包括加密电路和解密电路，所述加密电路包括：
秘钥生成模块，用于根据所述芯片内不可复制功能输出的数据和自定义数据生成秘钥；
移位模块，用于将所述秘钥进行预设轮数的移位；
第一异或运算模块，用于将移位后的所述秘钥与所述芯片的指令数据进行异或运算；
非线性查找表替换模块，用于将所述异或运算得到的结果进行非线性查找表替换，得到密文数据；
秘钥输出模块，用于输出密文数据。
优选地，所述第一异或运算模块包括多个，所述多个第一异或运算模块还用于接收所述非线性查找表替换后的结果，并与该轮数移位后的秘钥进行异或运算。
优选地，所述系统还包括置换模块，用于对指令数据进行置换操作，再将置换操作后的指令数据发送至所述第一异或运算模块。
优选地，所述秘钥生成模块包括：
第二异或运算模块，用于将所述不可复制功能输出的数据与所述自定义数据进行异或运算；
扩展模块，用于将所述指令数据的地址进行扩展运算；
第三异或运算模块，用于将所述第二异或运算模块的计算结果与所述扩展模块的运算结果进行异或运算，以生成所述秘钥。
优选地，所述解密电路包括：
非线性查找表逆替换模块，用于将密文数据进行非线性查找表逆替换；
第四异或运算模块，用于将逆替换结果与秘钥进行异或运算；
逆置换模块，用于将第四异或运算模块的运算结果进行逆置换运算；
指令输出模块，用于输出指令数据。
优选地，所述第四异或运算模块包括多个，所述多个第四异或运算模块还用于接收非线性查找表逆替换后的结果，并与该轮数移位后的秘钥进行异或运算。
本发明技术方案通过将芯片内不可复制功能输出的数据以及自定义数据生成秘钥，使得每一颗芯片的秘钥都不一样；当对同样的指令数据进行加密时，得到的密文数据是不相同的，避免盗版者盗版芯片内的指令数据，增加了芯片数据的安全性能。
附图说明
图1为本发明微控制芯片指令加密方法的流程示意图；
图2为本发明中秘钥生成流程示意图；
图3为本发明微控制芯片指令解密方法的流程示意图；
图4为本发明微控制芯片指令加/解密系统的原理示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明进一步说明。
本发明提供一种微控制芯片指令加密方法，如图1所示，包括以下步骤：
根据所述芯片内不可复制功能输出的数据和自定义数据生成秘钥；将生成的所述秘钥进行预设轮数的移位后与所述芯片的指令数据进行异或运算，并将异或运算得到的结果进行非线性查找表替换；将替换后的指令数据输出为密文数据。芯片内不可复制功能输出的数据是指微控制器芯片内部物理不可复制功能（Physical unclonable function）的输出数据。非线性查找表为密码学数学中的一种，可替换为密码学中其它方法来实现。
优选地，如图2所示，所述根据所述芯片内不可复制功能输出的数据和自定义数据生成秘钥还包括：将所述不可复制功能输出的数据与所述自定义数据进行异或运算后，再将该异或运算的计算结果与所述指令数据的地址进行异或运算，以得到所述秘钥。
优选地，将该异或运算的计算结果与所述指令数据的地址进行异或运算还包括：将所述指令数据的地址进行扩展运算后，再与所述异或运算的计算结果进行异或运算。非易失性存储器的位宽一般小于不可复制功能输出的数据和自定义数据，因此需要做一个扩展变换，使其位宽与两者相同，同时扩展运算也能减少指令数据地址的规律性，从而增强秘钥的安全性。
在具体实施例中，如图2所示，所述秘钥由三部分组成，a、微控制器芯片内部物理不可复制功能的输出数据；b、自定义数据，在具体实施例中为发行商写入的用户秘钥，用以区分该芯片的发行商；c、芯片的每条指令在芯片内部非易失性存储器上的地址。
在秘钥中使用物理不可复制功能可以保证每颗芯片的秘钥不一样，这样对同样指令加密后，每一颗芯片中存储的密文数据不同，可以保证盗版者不能通过把一颗芯片中的二进制文件直接烧录到另一颗芯片来盗版。秘钥中包含的指令数据在非易失性存储器上的地址信息可以防止盗版者反编译出程序代码。
在具体实施例中，所述预设轮数大于等于一，所述密文数据为末轮非线性查找表的输出结果。加密方法采用轮加密的方法，将秘钥带入每一轮的运算中。具体的轮数可以根据安全性等级配置，安全性要求越高轮数设置越多。
优选地，所述将异或运算得到的结果进行非线性查找表替换后还包括：替换后的指令数据输出至下一轮，与该轮数移位后的秘钥进行异或运算，并将该异或运算得到的结果进行非线性查找表替换，再将替换后的指令数据输出，直至所述预设轮数的末轮。
在每轮运算中，该轮的秘钥是由所述秘钥进行该轮的轮数移位后生成的。具体地，当预设轮数是五时，第一轮运算将指令数据进行置换、第一轮移位后的秘钥进行异或运算，运算结果进行非线性查找表替换并输出数据；替换后的输出数据作为第二轮的指令数据再次置换，并与第二轮移位后的秘钥进行异或运算……；末轮运算是第五轮运算，当加密方法进行第五轮非线性查找表替换后，输出数据即为预设轮数为五的密文数据。
优选地，所述将生成的所述秘钥进行预设轮数的移位后与所述芯片的指令数据进行异或运算还包括：对所述指令数据进行置换操作，再将置换操作后的指令数据与移位后的秘钥做异或运算。对指令数据进行置换操作，可以使得指令数据充分扩散。
本发明还提供一种微控制芯片指令解密方法，如图3所示，包括以下步骤：
将密文数据进行非线性查找表逆替换，将逆替换后的密文数据与预设轮数的秘钥进行异或运算；将异或运算得到的运算结果进行逆置换运算；输出逆置换运算得到的指令数据。
具体地，在解密操作时，第一轮运算带入的秘钥是加密方法中末轮秘钥，在解密开始时生成。逆置换运算和非线性查找表逆替换分别为加密方法的置换运算和非线性查找表运算的逆运算。
优选地，所述预设轮数大于等于一。在每轮运算中，该轮的秘钥是由所述秘钥进行该轮的轮数移位后生成的。
优选地，所述输出逆置换运算结果至下一轮进行非线性查找表逆替换，直至预设轮数的末轮。
具体实施例中，当预设轮数是五时，第一轮运算将密文数据进行非线性查找表逆替换的结果、加密方法中的末轮秘钥进行异或运算，运算结果进行逆置换并输出数据；逆置换后的输出数据作为第二轮的密文数据再次进行非线性查找表逆替换，并与第二轮移位后的秘钥进行异或运算……；末轮运算是第五轮运算，当解密方法进行第五轮逆置换后，输出数据即为预设轮数为五的指令数据。
如图4所示，本发明还提供一种微控制芯片指令加/解密系统，所述系统包括加密电路和解密电路，所述加密电路包括：
秘钥生成模块，用于根据所述芯片内不可复制功能输出的数据和自定义数据生成秘钥；移位模块，用于将所述秘钥进行预设轮数的移位；第一异或运算模块，用于将移位后的所述秘钥与所述芯片的指令数据进行异或运算；非线性查找表替换模块，用于将所述异或运算得到的结果进行非线性查找表替换，得到密文数据；秘钥输出模块，用于输出密文数据。
优选地，所述第一异或运算模块包括多个，所述多个第一异或运算模块还用于接收所述非线性查找表替换后的结果，并与该轮数移位后的秘钥进行异或运算。
优选地，所述系统还包括置换模块，用于对指令数据进行置换操作，再将置换操作后的指令数据发送至所述第一异或运算模块。
优选地，所述秘钥生成模块包括：
第二异或运算模块，用于将所述不可复制功能输出的数据与所述自定义数据进行异或运算；
扩展模块，用于将所述指令数据的地址进行扩展运算；
第三异或运算模块，用于将所述第二异或运算模块的计算结果与所述扩展模块的运算结果进行异或运算，以生成所述秘钥。
优选地，所述解密电路包括：
非线性查找表逆替换模块，用于将密文数据进行非线性查找表逆替换；第四异或运算模块，用于将逆替换结果与秘钥进行异或运算；逆置换模块，用于将第四异或运算模块的运算结果进行逆置换运算；指令输出模块，用于输出指令数据。
优选地，所述第四异或运算模块包括多个，所述多个第四异或运算模块还用于接收非线性查找表逆替换后的结果，并与该轮数移位后的秘钥进行异或运算。
应当理解的是，以上仅为本发明的优选实施例，不能因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变 换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (15)

1.一种微控制芯片指令加密方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据所述芯片内不可复制功能输出的数据和自定义数据生成秘钥；
将生成的所述秘钥进行预设轮数的移位后与所述芯片的指令数据进行异或运算，并将异或运算得到的结果进行非线性查找表替换；
将替换后的指令数据输出为密文数据。
2.根据权利要求1所述的加密方法，其特征在于，所述预设轮数大于等于一，所述密文数据为末轮非线性查找表的输出结果。
3.根据权利要求3所述的加密方法，其特征在于，所述将异或运算得到的结果进行非线性查找表替换后还包括：
替换后的指令数据输出至下一轮，与该轮数移位后的秘钥进行异或运算，并将该异或运算得到的结果进行非线性查找表替换，再将替换后的指令数据输出，直至所述预设轮数的末轮。
4.根据权利要求3所述的加密方法，其特征在于，所述将生成的所述秘钥进行预设轮数的移位后与所述芯片的指令数据进行异或运算还包括：
对所述指令数据进行置换操作，再将置换操作后的指令数据与移位后的秘钥做异或运算。
5.根据权利要求1所述的加密方法，其特征在于，所述根据所述芯片内不可复制功能输出的数据和自定义数据生成秘钥还包括：
将所述不可复制功能输出的数据与所述自定义数据进行异或运算后，再将该异或运算的计算结果与所述指令数据的地址进行异或运算，以得到所述秘钥。
6.根据权利要求5所述的加密方法，其特征在于，将该异或运算的计算结果与所述指令数据的地址进行异或运算还包括：
将所述指令数据的地址进行扩展运算后，再与所述异或运算的计算结果进行异或运算。
7.一种微控制芯片指令解密方法，其特征在于，包括以下步骤：
将密文数据进行非线性查找表逆替换，将逆替换后的密文数据与预设轮数的秘钥进行异或运算；
将异或运算得到的运算结果进行逆置换运算；
输出逆置换运算得到的指令数据。
8.根据权利要求7所述的解密方法，其特征在于，所述预设轮数大于等于一。
9.根据权利要求8所述的解密方法，其特征在于，所述输出逆置换运算结果至下一轮进行非线性查找表逆替换，直至预设轮数的末轮。
10.一种微控制芯片指令加/解密系统，其特征在于，所述系统包括加密电路和解密电路，所述加密电路包括：
秘钥生成模块，用于根据所述芯片内不可复制功能输出的数据和自定义数据生成秘钥；
移位模块，用于将所述秘钥进行预设轮数的移位；
第一异或运算模块，用于将移位后的所述秘钥与所述芯片的指令数据进行异或运算；
非线性查找表替换模块，用于将所述异或运算得到的结果进行非线性查找表替换，得到密文数据；
秘钥输出模块，用于输出密文数据。
11.根据权利要求10所述的微控制芯片指令加/解密系统，其特征在于，所述第一异或运算模块包括多个，所述多个第一异或运算模块还用于接收所述非线性查找表替换后的结果，并与该轮数移位后的秘钥进行异或运算。
12.根据权利要求11所述的微控制芯片指令加/解密系统，其特征在于，所述系统还包括置换模块，用于对指令数据进行置换操作，再将置换操作后的指令数据发送至所述第一异或运算模块。
13.根据权利要求12所述的微控制芯片指令加/解密系统，其特征在于，所述秘钥生成模块包括：
第二异或运算模块，用于将所述不可复制功能输出的数据与所述自定义数据进行异或运算；
扩展模块，用于将所述指令数据的地址进行扩展运算；
第三异或运算模块，用于将所述第二异或运算模块的计算结果与所述扩展模块的运算结果进行异或运算，以生成所述秘钥。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的微控制芯片指令加/解密系统，其特征在于，所述解密电路包括：
非线性查找表逆替换模块，用于将密文数据进行非线性查找表逆替换；
第四异或运算模块，用于将逆替换结果与秘钥进行异或运算；
逆置换模块，用于将第四异或运算模块的运算结果进行逆置换运算；
指令输出模块，用于输出指令数据。
15.根据权利要求14所述的微控制芯片指令加/解密系统，其特征在于，所述第四异或运算模块包括多个，所述多个第四异或运算模块还用于接收非线性查找表逆替换后的结果，并与该轮数移位后的秘钥进行异或运算。
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