CN114416494B - 一种时钟频率异常监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及一种时钟频率异常监测装置及方法。该装置包括：频率转电压模块，与处理模块连接，用于将外部时钟信号转换成与其频率对应的电压信号；所述处理模块，用于根据所述电压信号和预存的电压频率对应关系确定所述电压信号对应的外部时钟频率值；片内时钟校验模块，分别与片内时钟产生模块和外部时钟信号连接，用于基于片内时钟通过中断的方法计算出实际外部时钟频率值。本发明实施例的技术方案可监测外部时钟频率的异常情况，有效防止对时钟频率的攻击。

Description

一种时钟频率异常监测装置及方法

技术领域

本发明涉及数据安全技术领域，尤其涉及一种时钟频率异常监测装置及方法。

背景技术

安全芯片会受到不同方式的攻击，其中包括时钟频率的攻击。输入不同的时钟频率使安全芯片处于异常的工作状态，容易被找到数据处理的规律。

目前市面上的时钟频率攻击方法多采用时钟监测电路。但是当非法攻击人员知道防护手段后可以很容易找到对应的破解方法，比如将时钟监测电路的输出信号人为的替换成假信号，导致保护手段失效。

发明内容

本发明实施例提供一种时钟频率异常监测装置及方法，目的在于监测外部时钟频率的异常情况。

第一方面，本发明实施例提供了一种时钟频率异常监测装置，包括：

频率转电压模块，与处理模块连接，用于将外部时钟信号转换成与其频率对应的电压信号；

所述处理模块，用于根据所述电压信号和预存的电压频率对应关系确定所述电压信号对应的外部时钟频率值；

片内时钟校验模块，分别与片内时钟产生模块和外部时钟信号连接，用于基于片内时钟通过中断的方法计算出实际外部时钟频率值。

第二方面，本发明实施例提供了一种时钟频率异常监测方法，基于本发明任意实施例提供的时钟频率异常监测装置，包括：

获取外部时钟信号，并将所述外部时钟信号转换成与其频率对应的电压信号；

根据所述电压信号和预存的电压频率对应关系确定所述电压信号对应的第一外部时钟频率值；

分别获取所述外部时钟信号和片内时钟信号，基于片内时钟通过中断的方法计算出第二外部时钟频率值；

若所述第一外部时钟频率值和所述第二外部时钟频率值的至少其一超出预设外部时钟频率区间，确定外部时钟频率异常。

本发明实施例提供的一种时钟频率异常监测装置及方法，通过频率转电压判断外部时钟信号的频率值是否已经出现偏差，通过片内时钟校验模块对外部时钟信号的频率值进行二次校验，双重保护下可以有效防止非法攻击的手段，解决了时钟监测电路容易被破解而导致保护手段失效的问题，实现了监测外部时钟信号频率值，有效防止对时钟频率的攻击的效果。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的一种时钟频率异常监测装置的结构示意图；

图2为本发明实施例一提供的频率转电压模块的结构示意图；

图3为本发明实施例一提供的频率转电压模块的电路原理图；

图4为本发明实施例二提供的一种时钟频率异常监测方法的流程图；

图5为本发明实施例二提供的配置频率参数的流程图；

图6为本发明实施例二提供的确定第一外部时钟频率值的流程图；

图7为本发明实施例二提供的确定第二外部时钟频率值的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的时钟频率异常监测装置的结构示意图，本实施例可适用于对安全芯片外部时钟信号的频率进行监测，确定是否存在频率异常的情况，该时钟频率异常监测装置100，具体包括：频率转电压模块1、处理模块2和片内时钟校验模块3。

频率转电压模块1，与处理模块2连接，用于将外部时钟信号转换成与其频率对应的电压信号；

处理模块2，用于根据电压信号和预存的电压频率对应关系确定电压信号对应的外部时钟频率值；

片内时钟校验模块3，分别与片内时钟产生模块4和外部时钟信号连接，用于基于片内时钟通过中断的方法计算出实际外部时钟频率值。

其中，频率转电压模块1获取到外部时钟信号后，根据其频率输出对应的电压信号，电压信号和频率值之间存在对应关系，这种电压频率对应关系可以预先存储在处理模块2中，例如可以将电压信号和频率值之间存在的对应关系以查找表的形式存储。处理模块2和频率转电压模块1信号连接，接收频率转电压模块1输出的电压信号，然后根据接收到的电压信号查找对应的频率值，由此可以监测外部时钟信号频率值，处理模块2中还可以存储一个外部时钟信号标准频率值作为对比基准，当监测到的外部时钟信号频率值与外部时钟信号标准频率值不同，且差别超出预设比例时，确定外部时钟信号频率异常，例如，外部时钟信号频率值与外部时钟信号标准频率值的差，不超过外部时钟信号标准频率值的±1%认为外部时钟信号频率正常，否则认为外部时钟信号频率异常。片内时钟校验模块3分别获取片内时钟和外部时钟信号，利用片内时钟不可改变的属性对片外输入进来的外部时钟信号的频率进行监测。

本实施例提供的时钟频率异常监测装置，可以同时进行两种方式的频率校验，片外校验和基于片内时钟校验，其中片内时钟校验模块由片内时钟产生模块的片内时钟作为基准时钟进行对外部时钟信号的校验，片内时钟是不可改变的，因此攻击者无法避免此校验操作的执行。片外校验可以作为联合校验的手段，将外部时钟信号经过频率转电压处理获得实际的外部时钟信号频率值，片外校验手段一定程度上可作为一种掩饰手段，使攻击者认为这是唯一的校验手段，在发现有攻击的操作时进行数据保护等操作，避免了单一手段容易被攻破的危险，有效增加了数据加密保护的防护强度。

可选的，如图2所示，频率转电压模块1包括整形单元11、频率电压转换单元12和低通滤波单元13；

整形单元11，用于将外部时钟信号整形成方波信号；

频率电压转换单元12，与整形单元11连接，用于根据方波信号的频率输出对应的模拟电压信号；

低通滤波单元13，与频率电压转换单元12连接，用于滤除模拟电压信号中的干扰信号。

其中，时钟信号通常为正弦波信号，为了更好地进行频率转电压，需要整形单元11将正弦波信号转换成方波信号。频率电压转换单元12可以采用专用的频率转电压集成电路完成频率信号转电压信号的转换工作。从频率电压转换单元12输出的信号可能会受到电源或信号本身的影响，会有一定的波动，如果处理模块直接采集此信号会出现信号时高时低的情况，为了滤除干扰信号需要增加低通滤波单元13进行一级滤波。

可选的，处理模块2包括ADC单元21和计算单元22；

ADC单元21，用于将电压信号转换成对应的数字信号；

计算单元22，与ADC单元21连接，用于根据数字信号和电压频率对应关系计算外部时钟频率值。

其中，ADC单元21是包含在处理模块2内部的，由ADC单元读取输入的电压信号，输出对应的数字信号，计算单元22获取数字信号即可确定外部时钟信号的频率转换成电压的电压值，此电压值与频率值的对应关系作为出厂参数保存在处理模块芯片内部的存储器中。

可选的，如图3所示，整形单元包括：

第一运算放大器U3，其正向输入端通过第一电阻R2连接外部时钟信号，其反向输入端连接恒压参考信号，其输出端连接频率电压转换单元。其中，第一分压电阻R5和第二分压电阻R9串联，第一分压电阻R5接恒压源VCC，第二分压电阻R9接地，第一运算放大器U3反向输入端连接第一分压电阻R5和第二分压电阻R9的连接节点，两个电阻分压，所得1/2的VCC电压作为恒压参考信号。当正弦波信号的电压大于反向输入端连接的恒压参考信号时输出高电平，当正弦波信号低于反向输入端连接的恒压参考信号时输出低电平，此时输出的信号就是整形之后的方波信号了。

可选的，频率电压转换单元包括：

频率转电压集成电路U1，其输入引脚THR通过第一电容C3连接整形单元，其电流输出引脚I OUT连接低通滤波单元。其中，采用专用的频率转电压集成电路，例如型号为LM331的频率转电压集成电路，该频率转电压集成电路可完成频率信号转电压信号的转换工作。由第一电容C3连接在输入引脚THR。基准电路引脚REF I通过第三电阻R1接地，第四电阻R6一端连接输入引脚THR，另一端接恒压源VCC。第五电阻R7一端连接比较输入引脚COMP IN，另一端接地。第六电阻R8一端连接比较输入引脚COMP IN，另一端连接恒压源VCC。第三电容C5一端连接定时电路引脚R/C，另一端接地。第七电阻R4一端连接电流输出引脚I OUT，另一端接地。第四电容C4与第七电阻R4并联。方波信号通过第一电容C3输入，转换后的电压从频率转电压集成电路U1的电流输出引脚I OUT输出，频率转电压集成电路U1的电压引脚VS接恒压源VCC。

可选的，低通滤波单元包括：

第二运算放大器U2，其正向输入端连接频率电压转换单元，其反向输入端连接自身的输出端，其输出端连接第二电阻R3的一端，第二电阻R3的另一端连接第二电容C6的一端，第二电容C6的另一端接地，其中，第二电阻R3和第二电容C6的连接节点作为低通滤波单元的输出端。第二运算放大器U2、第二电阻R3和第二电容C6组成的低通滤波器截止频率是159Hz，此截止频率决定了可输出信号中含有的信号的最高频率，会将高于此频率的信号滤除，避免了高频干扰信号的输出，提高了信号稳定性。

本实施例的技术方案，通过频率转电压判断外部时钟信号的频率值是否已经出现偏差，通过片内时钟校验模块对外部时钟信号的频率值进行二次校验，双重保护下可以有效防止非法攻击的手段，解决了时钟监测电路容易被破解而导致保护手段失效的问题，实现了监测外部时钟信号频率值，有效防止对时钟频率的攻击的效果。

实施例二

图4为本发明实施例二提供的一种时钟频率异常监测方法的流程图，本实施例基于上述实施例提供的时钟频率异常监测装置，该方法包括：

S1、获取外部时钟信号，并将外部时钟信号转换成与其频率对应的电压信号；

其中，可以通过频率转电压模块获取外部时钟信号，然后将外部时钟信号转换成与其频率对应的电压信号。

S2、根据电压信号和预存的电压频率对应关系确定电压信号对应的第一外部时钟频率值；

其中，可以通过处理模块在预存的电压频率对应关系中搜索与电压信号对应的频率值作为第一外部时钟频率值。

S3、分别获取外部时钟信号和片内时钟信号，基于片内时钟通过中断的方法计算出第二外部时钟频率值；

其中，可以通过片内时钟校验模块获取外部时钟信号和片内时钟信号，然后基于片内时钟设置中断，在中断启动和触发时刻分别获取时钟计数值，确定第二外部时钟频率值。此方式是利用片内的时钟去校准片外的时钟信号，此方法由于使用了片内时钟，而片内时钟无法被修改，因此不存在通过假信号的方法进行攻克。

S4、若所述第一外部时钟频率值和所述第二外部时钟频率值的至少其一超出预设外部时钟频率区间，确定外部时钟频率异常。

两种时钟频率校验手段在加密设备运行过程中不断的进行校验，只有当两种校验方法都通过无误后才可被视为设备正常，任何一种防护手段校验异常都会进行数据保护操作，并停止加密卡工作，保证数据的安全，解决了目前市面上针对时钟频率输入错误而进行攻击方法的缺陷。

可选的，在若第一外部时钟频率值和第二外部时钟频率值的至少其一超出预设外部时钟频率区间，确定外部时钟频率异常之前，包括：

对安全设备进行配置操作，设置预设外部时钟频率区间。

其中，对安全设备进行配置操作，设置预设外部时钟频率区间，可以包括：

在安全设备通电开机后的预设等待时间内，如果获取到配置参数指令，则进入配置状态；

如果获取到更新配置指令，则将电压信号进行模数转换得到对应的数字信号；

将数字信号代表的电压数据作为时钟配置数据保存在片内存储器中；

以时钟配置数据为中心，根据预设波动范围确定预设外部时钟频率区间。

其中，在出厂时安全设备会有一道配置的工作，后期如出现返修或更新固件等操作时也可以重新进行更新配置。如图5所示，设备通电开机时会有预设等待时间，例如，1秒钟的等待时间，在此期间如果收到对应的更新配置指令，通常是接收到cfg指令将进入配置状态，如果超预设等待时间未接收到更新配置指令，则进入正常工作状态。当进入配置状态时会继续等待新的指令，其中两个指令与配置相关，更新配置指令会启动ADC单元，将外部输入的电压信号进行转换采集，并将数字信号代表的电压数据作为时钟配置数据保存在处理器片内存储器中，也可以将数字信号代表的电压数据转换为频率值数据作为时钟配置数据保存在处理器片内存储器中。另一个指令是退出配置指令，此指令存在的意义是执行了更新配置指令后可能还需要执行其他指令，因此需要一个退出配置的指令。退出配置指令后将直接进入正常的工作状态。

外部时钟信号校验的流程图如图6，开机并进入正常工作状态后首先读取片内存储的时钟配置数据，即频率参数值。如果未读取到频率参数值，进入异常工作状态，清空敏感数据。如果读取到频率参数值，启动ADC单元读取外部输入的电压信号转换为数字信号，计算单元确定数字信号代表的电压值，将电压值与保存的电压数据对比，以确定外部时钟的频率是否正常，或者，计算单元将电压值转换为频率值，将频率值与保存的频率值数据对比，以确定外部时钟的频率是否正常。由于ADC单元的输入值会有一定的微小波动，所以对比保存数据与读取的电压值的差值会有一个容许范围，比如±1%的波动范围内都属于正常，超出此范围将被认定为存在非法攻击行为，此时立刻进行数据保密操作。此流程并不是只在开机时执行，而是在工作过程中不断进行，随时防止时钟频率突然改变而导致的数据泄密风险。

可选的，分别获取外部时钟信号和片内时钟信号，基于片内时钟通过中断的方法计算出第二外部时钟频率值，包括：

设置预设中断时间的定时器中断，当启动定时器中断时读取并保存第一外部时钟计数值；

启动定时器中断后等待中断的发生，当中断发生后即刻读取第二外部时钟计数值；

根据第一外部时钟计数值、第二外部时钟计数值和预设中断时间，确定第二外部时钟频率值。

其中，片内时钟校验的流程图如图7，此方式是利用片内的时钟去校准片外的时钟信号，此方法由于使用了片内时钟，无法被修改，因此不存在通过假信号的方法进行攻克。校验过程是设置一个预设中断时间的定时器中断，例如，预设中断时间为1ms。在启动定时器中断时读取当前的片外时钟的计数值并保存为第一外部时钟计数值a，启动定时器中断后等待中断的发生，当中断发生后即刻进行读取当前的外部时钟计数值作为第二外部时钟计数值b，此时可进行校验计算，计算b-a=f，频率通过f值计算得出实际的外部时钟频率值。在预设中断时间为1ms 的情况下，freq=f×1000，freq为实际片外时钟频率值作为第二外部时钟频率值，f为1ms中断时间的计数值。当获取实际频率值后与保存的参数进行对比，参数如果不一致则说明存在攻击行为，即刻进行数据保密操作。

通过以上关于实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，本发明可借助软件及必需的硬件来实现，当然也可以通过硬件实现。计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如计算机的软盘、只读存储器（Read-Only Memory, ROM）、随机存取存储器（Random Access Memory, RAM）、闪存（FLASH）、硬盘或光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述的方法。

值得注意的是，上述装置的实施例中，所包括的各个单元和模块只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种时钟频率异常监测装置，其特征在于，包括：

频率转电压模块，与处理模块连接，用于将外部时钟信号转换成与其频率对应的电压信号；

所述处理模块，用于根据所述电压信号和预存的电压频率对应关系确定所述电压信号对应的外部时钟频率值；

片内时钟校验模块，分别与片内时钟产生模块和外部时钟信号连接，用于基于片内时钟通过中断的方法计算出实际外部时钟频率值。

2.根据权利要求1所述的时钟频率异常监测装置，其特征在于，所述频率转电压模块包括整形单元、频率电压转换单元和低通滤波单元；

所述整形单元，用于将所述外部时钟信号整形成方波信号；

所述频率电压转换单元，与所述整形单元连接，用于根据所述方波信号的频率输出对应的模拟电压信号；

所述低通滤波单元，与所述频率电压转换单元连接，用于滤除所述模拟电压信号中的干扰信号。

3.根据权利要求1所述的时钟频率异常监测装置，其特征在于，所述处理模块包括ADC单元和计算单元；

所述ADC单元，用于将所述电压信号转换成对应的数字信号；

所述计算单元，与所述ADC单元连接，用于根据所述数字信号和所述电压频率对应关系计算所述外部时钟频率值。

4.根据权利要求2所述的时钟频率异常监测装置，其特征在于，所述整形单元包括：

第一运算放大器，其正向输入端通过第一电阻连接所述外部时钟信号，其反向输入端连接恒压参考信号，其输出端连接所述频率电压转换单元。

5.根据权利要求2所述的时钟频率异常监测装置，其特征在于，所述频率电压转换单元包括：

频率转电压集成电路，其输入引脚通过第一电容连接所述整形单元，其电流输出引脚连接所述低通滤波单元。

6.根据权利要求2所述的时钟频率异常监测装置，其特征在于，所述低通滤波单元包括：

第二运算放大器，其正向输入端连接所述频率电压转换单元，其反向输入端连接自身的输出端，其输出端连接第二电阻的一端，所述第二电阻的另一端连接第二电容的一端，所述第二电容的另一端接地，其中，所述第二电阻和所述第二电容的连接节点作为所述低通滤波单元的输出端。

7.一种时钟频率异常监测方法，其特征在于，基于权利要求1-6任一项所述的时钟频率异常监测装置，包括：

获取外部时钟信号，并将所述外部时钟信号转换成与其频率对应的电压信号；

根据所述电压信号和预存的电压频率对应关系确定所述电压信号对应的第一外部时钟频率值；

分别获取所述外部时钟信号和片内时钟信号，基于片内时钟通过中断的方法计算出第二外部时钟频率值；

若所述第一外部时钟频率值和所述第二外部时钟频率值的至少其一超出预设外部时钟频率区间，确定外部时钟频率异常。

8.根据权利要求7所述的时钟频率异常监测方法，其特征在于，在所述若所述第一外部时钟频率值和所述第二外部时钟频率值的至少其一超出预设外部时钟频率区间，确定外部时钟频率异常之前，包括：

对安全设备进行配置操作，设置所述预设外部时钟频率区间。

9.根据权利要求8所述的时钟频率异常监测方法，其特征在于，所述对安全设备进行配置操作，设置所述预设外部时钟频率区间，包括：

在所述安全设备通电开机后的预设等待时间内，如果获取到配置参数指令，则进入配置状态；

如果获取到更新配置指令，则将所述电压信号进行模数转换得到对应的数字信号；

将所述数字信号代表的电压数据作为时钟配置数据保存在片内存储器中；

以所述时钟配置数据为中心，根据预设波动范围确定所述预设外部时钟频率区间。

10.根据权利要求7所述的时钟频率异常监测方法，其特征在于，所述分别获取所述外部时钟信号和片内时钟信号，基于片内时钟通过中断的方法计算出第二外部时钟频率值，包括：

设置预设中断时间的定时器中断，当启动所述定时器中断时读取并保存第一外部时钟计数值；

启动所述定时器中断后等待中断的发生，当中断发生后即刻读取第二外部时钟计数值；

根据所述第一外部时钟计数值、所述第二外部时钟计数值和所述预设中断时间，确定所述第二外部时钟频率值。

Images