TW561752B - Processor assembly for security-relevant applications and method for performing security-relevant applications - Google Patents

Description

五、發明説明（1 ) 本發明與供保全相關應用之處理器組件有關，尤其與適 於晶片卡使用之處理器組件有關。 供諸如保全控制器、保全憑證或智慧卡控制器等保全相 關應用之處理器組件常見於用以執行保全相關應用之晶片 卡中。例如··具此類處理器組件之晶片卡常係在電子文件 之下’供置放電子簽名之用，俾確認晶片卡所有人之授權 或經付費使用之特定服務。爰此，晶片卡所含之記憶體中 儲存有保全授權資料、加密程式或通訊程式，使得晶片卡 得以與晶片卡終端通訊。伴隨晶片卡而來的問題在於晶片 卡持有人之持有，故而處於不安全的環境下。如晶片卡持 有人意欲執行對密碼機演算法或密碼機演算法按鍵之攻擊 ’因其本身即持有晶片卡，故可對任意複雜本質之晶片卡 執行攻擊。 然而為保護保全演算法及/或在晶片卡之記憶體中資料 ’資訊’亦即資料與程式均非以明文儲存於晶片卡，而係 以加密型式存在。爰此，供保全相關資料用之處理器組件 包含供記憶體加解密之硬體單元。其目的分別包含在處理 器讀取時，將在記憶體中以加密型式儲存之資料解密，以 及以計算單元產生加密之明文資料，俾使計算單元產生之 資料以加密型式儲存於晶片卡之記憶體中。 這些處理與處理器週期相較極為耗時，尤以施行所謂的 嚴格加法、决异法為最。故於資料存取時，供保全相關資料 使用之處理器組件之潛伏期變得很長。 典型供保全相關應用，適用於晶片卡内含之所謂的保全 -4- 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 561752 A7 ------ B7_ 五、發明説明（2 ) 1C之處理器組件，具有儲存容量上的限制問題。晶片卡尺 寸受限。但尤其視晶片卡上可供處理器組件（以積體電路 型式存在）使用之面積易受限。然而記憶胞體需要相當大 的晶片面積，故至今面對晶片卡之儲存問題仍一籌莫展。 但換言之，為符合晶片卡與以密碼撰寫之演算法複雜度和 所需處理之資料字元之字元寬度持續增加，並提昇對駭客 之保全度之需求。典型晶片卡之儲存容量範圍自1〇至1〇〇 仟位元組，顯而易見較複雜程式之儲存可能因此限制而告 失敗。 換言之，欲在特殊應用中，使得晶片卡得以儘量獨立工 作’亦即晶片卡應可儲存完整的密碼機演算法程式碼。其 因如次：如晶片卡終端需轉換程式碼於晶片卡，自終端至 晶片卡之傳輸可能被監聽，造成保全上的漏洞。換言之， 無須過度要求晶片卡之計算容量及儲存容量，或者由於晶 片卡終端與晶片卡之價格需在合理範圍，俾使晶片卡之特 疋系統及晶片卡終端得以成功地在市場上推廣。 本發明之一目的在提供一種供保全相關應用使用之處理 器組件，一種執行保全相關應用之方法或一種晶片卡，其 提供之保全一方面可抵禦攻擊，另一方面可獲得充分之電 腦資源。 如申請專利範圍第1項之處理器組件即可達成此目的，其 方法係如申請專利範圍第14項之執行保全相關應用，或如 申請專利範圍第12項之晶片卡。 本發明係根據發現到高限制記憶體容量問題及長潛伏期 -5- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 561752 A7 -------- 五、發明説明（3 ) 問題可藉由不僅以加密型式儲存晶片卡之記憶體中資料抵 銷之’例如亦可為壓縮型式。依本發明供保全相關應用之 處理器組件除記憶體之外，尚包含計算單元與解密裝置， 以及將以加密與壓縮型式儲存於記憶體中之記憶内容解壓 縮之裝置。 先對記憶資料解密而後僅對其解壓縮較佳，以及先壓縮 資料而儲存於記憶體中，而後僅將其加密。此順序之優點 在於對未加密資料之壓縮比高於對加密資料之壓縮比。此 係因資料壓縮演算法目標係在利用欲壓縮資料間關聯而將 "貝料壓縮’但在資料加密後，此類關聯一般即不復存在。 此外’此順序尚具其它優點。為加密資料所需之加密演 算法時間係正比於欲加密資料量。資料壓縮（例如經壓縮 資料之位元數為未壓縮資料的一半）對加密所需時間即因 資料量減半而自然具其效應，需時僅約一半。此立論對解 密亦然。解密之施行在資料解壓縮前為之較佳。 與供保全相關應用之處理器組件之記憶體管理有關之問 題包含與資料特性有關之資料壓縮比。如資料改變，例如 當處理器經件之計算單元輸出儲存於處理器组件之記憶體 中之資料時，計算單元之經壓縮與加密輸出資料大小與覆 寫之資料尺寸相異。 為以簡易方式規避此問題，本發明僅對此類未變化之資 料解壓縮與壓縮。這些資料常係藉由計算單元執行之指令 或程式碼。計算單元一般僅以讀取方式取出這些資料，亦 即經修正之資料。 -6 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 561752 A7 _____ B7 五、發明説明（4 ) 依本發明之一較佳具體實施例，一種依本發明之供保全 相關應用之處理器組件僅需用以將程式碼解壓縮之資料解 壓縮裝置’以計算單元執行之’並以壓縮型式儲存於記憶 體中。此外，此選擇權之優點在於資料解壓縮演算法一般 較資料壓縮演算法簡單。此即為何具支出限制之資料解壓 縮演算法可以供保全相關應用之處理器組件之部份硬體施 行’在晶片區中實現高淨增益之因。如資料解壓縮電路係 屬所需，例如依本發明之處理器組件之記憶體之空間需求 為10¾ ，以及如資料壓縮造成資料量減半，記憶體資源之 淨增益與不具硬體解壓縮單元之晶片卡相較為90% 。 本發明之一優點在於因記憶體解密單元與記憶體解壓縮 單元之、、且σ ’其所含之S己憶體資源幾乎加倍。同時因記憶 體解密單元仍僅管理資料轉換量的一半，使得記憶體轉換 率亦近乎加倍。故不論須解密壓縮或解壓縮資料，蓋與記 憶體解密單元無涉。 本發明之另一優點在於在處理器組件中的資料傳輸徑， 其須依記憶體轉換率設計，可經設計為相當低效力，同時 可得到相同的記憶體轉換頻寬，依序造成晶片面積與電源 需求之節約。此電源需求之降低之優點尤以併同非接觸終 端使用之晶片上的處理器組件為甚（其中能量轉換係藉由 射頻場為之），故在自然限制晶片上可得之電功率。 以下即將參閱隨附之圖式，詳實闞釋本發明之較佳具 實施例： 圖1所示係依本發明之處理器組件，可供a 丨丁 J択曰曰片卡上之保全

561752 A7 B7 五、發明説明 縮發生。此外，裝置可具一加密/解密特性，俾使自計算單 元12饋送至介面28之資料不僅經壓縮，並經加密。故亦可 自終端經介面28供應加密資料至裝置30，俾於該處解密， 並接著以計算單元12將其處理為明文。 但在其最簡型式中，依本發明，可供保全相關應用之處 理器組件僅包含用以解密及解壓縮儲存於記憶體1〇之保全 相關應用之裝置14。因解壓縮演算法及解密演算法分別較 供壓縮及加密之用之相對演算法結構簡單得多，可以相當 簡易方式以硬體實現這些演算法，故所需記憶體面積小得 多，所需電能亦低得多。如僅有一指令碼併同以加密型式 儲存於記憶體10中之恆定資料（用以施行指令碼），一解廢 縮裝置正如可完全滿足晶片卡26之解密裝置（14b、14a) 一般’須以唯讀方式經計算單元讀取，但無須以任何方式 寫入或複製。 圖2闡釋如申請專利範圍第1項供保全相關應用之處理器 組件之較詳細圖示，其中計算單元12包含一中央處理單元 (CPU)。CPU經一内匯流排連結至裝置14,在圖2中標示為 MEC ( MEC =記憶加密壓縮）。裝置14包含一壓縮/解壓縮單元 14b，在圖2中標示為MCD(MCD=記憶壓縮解壓縮）。此外，裝 置14包含一壓縮/解壓縮單元14a，在圖2中標示為MED( MED= 記憶加密解密）。裝置14a經一外匯流排16連結至記憶體ι〇 。記憶體10可為RAM、ROM、非揮發性記憶體（NVM)，諸如 EEPR0M等，或為其它類型之記憶體。一般亦需未壓縮或者 未壓縮且未加密之記憶體區，諸如對記憶體映對之輪入/輸 -9 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 561752 A7 B7 五、發明説明（7 )

出MEM 10 34 ( MEM 10=記憶體映對之I/O)。在該狀況中，MCD 與MED具有一種可切換至隔離或聯合之可穿透狀態之模式。 以此方式可在無附加硬體支出之下，以終端實現資料傳 輸協定’其中傳輪係發生於未壓縮與加密、壓縮與未加密 、未壓縮與未加密或壓縮與加密型式接著MEC單元可具一 控制線’其可於上述四種模式間切換。這種在控制上的彈 性亦屬所欲，例如：如處理器組件需未壓縮及/或未加密記 憶區’例如為獲得高處理速度或為少數保全臨界暫態儲存 裝置之局資料穿越值。 在一較佳具體實施例中，加密/解密裝置14a及壓縮/解壓 縮裝置14b係在單一處理單元型式中實現。爰此，加密協定 包含壓縮較佳。由於MCD 14b與MED 14a之共同實現，更可 利用共用資源，諸如共用缓衝記憶體。在保全憑證及智慧 卡之實例中，裝置14a及裝置14b係以與計算單元12以及記 憶體10整合於單一晶片上實現之。 藉由提供解密單元與解壓縮單元，以及視需要提供加密 單元與壓縮單元，所儲存之資料量可經壓縮至超過50¾ ， 同時因為如果資料先經壓縮而後僅加密，或者如資料先經 解密而後僅解壓縮，則加密單元14a僅須管理約50%的資料 轉換量’而使記憶轉換率近乎加倍。外匯流排16及内匯流 排14係依轉換頻寬設計。故内資料匯流排之頻寬設計寬度 遠低於外資料匯流排，造成對應之晶片面積與耗能之節約。 在本發明之一較佳具體實施例中，僅將不可變之程式碼 或大抵上穩定之資料以壓縮及加密型式儲存於記憶體中， -10- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(21〇 X 297公董)

裝 訂

線 561752 A7 B7 五 、發明説明（8 ) 例如以ROM型式儲存於記憶體中。在該實例中，裝置14可僅 以解密與解壓縮單元實現之，故在硬體上，可以較類似之 加密與壓縮單元簡單許多的方式為之。接著發生壓縮加密 例如在製卡期間，當產生記憶内容時，例如再產生 罩時。在本發明之此具體實施例中，由於記憶體管理可能 因資料廢縮係視欲墨縮資料因素而定，其可能變得複雜， 故動態可變記憶區，諸如RAM與NVM之内容，均未經麼縮及/ 或加密。其因在於解密及解壓縮之資料係自記憶艎區中讀 出，其係動態可變，為計算單元12改變之機率高，其效應 在於這些可變資料之壓縮版本尺寸可能與以壓縮型式存在 之原始資料相異’因空間不足，故其長度不足以將壓縮資 料寫入原始壓縮資料回復之相同位址。 圖3顯示依本發明之附加具體實施例中，供保全相關應用 之處理器組件，其中處理器組件係以Harvard架構實現之。 在Harvard架構中，具有兩資料流，亦即一指令流與一資料 流。對比於圖1及2所示具體實施例，除解密及解壓縮裝置 14外，尚有一供指令流使用之指令快速緩衝儲存區。與 其所具類似，亦具對資料流使用之資料快速緩衝儲存區。 當資料流係一雙線流時，除裝置14之外，尚具有一具雙線 功能之附加加密/壓縮單元44，亦即其在自記憶體至CPU方 向中，具解密及後續之解壓縮功能，以及其在相反方向中 ’亦即自CPU12至記憶體10，具有壓縮及加密功能。具純 單線功能之裝置14係用以供給壓縮加密指令資料流至cpu ，例如來自ROM10。附加裝置44係供資料操作之用，並視 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐） 561752 A7 __ B7 五、發明説明（9 ) 資料流向執行加密/壓縮或解密/解壓縮，例如自/至 RAM/NVM 10 。 在此技藝中’已知有多種資料壓縮方法，諸如執行長度 (run-length)編碼、統計處理，諸如jjuffman編碼、預測 或算術編碼，或字典法，諸如已知之Zip演算法。 可採用所有已知方法做為加密/解密方法，以執行上最簡 易之方法，例如演算域中利用加密鍵施行之逐位XOR運算加 密’這些方法造成加密之資料流與未加密之資料流長度相 同。 如僅屢縮或加密程式碼，其優點在於晶片性質上，僅需 解壓縮’可大幅降低對晶片之硬體支出。除此之外，得以 避免塵縮後之區塊尺寸變動造成實際記憶體管理支出增加 的問題。如晶片上僅具解壓縮單元，可利用軟體壓縮所選 擇之資料。接著可再度以硬體模組之裝置進行解壓縮。 如係在除供保全相關應用之處理器組件之外壓縮資料， 亦可利用壓縮硬體模組。但此硬體模組需要更多的晶片面 積與耗能，但如在組件中之處理器面積及耗能不處於限制 邊界條件下，則其非屬關鍵之處。壓縮模組之施行，諸如 圖1之壓縮模組30,具有供保全相關應用之處理器組件使用 之優點，現亦可權宜供通訊使用。由晶片卡示例可見，現 可將壓縮資料經介面28轉換至終端（圖1),壓縮資料並可 為終端接收，其優點在於晶片卡與終端間所需轉換頻寬， 因係轉換壓縮資料而變得較小。如晶片卡無法獲得充分供 能時，例如藉由其本身安裝的緩衝電池供能，則其對非接 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)

Claims (1)

1. 561752 A8 B8 C8 ____D8 六、申請專利範圍 1· 一種用於保全相關應用之處理器組件，其包括： 一記憶體（10)，用以儲存以加密及壓縮型式存在之 記憶内容； 一計算單元（12);以及 一裝置（14)，用以將經加密及壓縮之記憶内容解密 (14a)及解壓縮（14b)，其中用於解密及解壓縮之該 裝置（14)係以資料流形式配置於該記憶體（1〇)與該 計算單元（12)間。 2·如申請專利範圍第1項之處理器組件，其中以加密及壓 縮型式儲存之記憶内容僅包括由計算單元（12)取出之 唯讀資料，尤其僅包括供保全應用之程式碼。 3·如申請專利範圍第1項之處理器組件，其中用以解密及 解壓縮之裝置（14)係以硬體實施。 4·如申請專利範圍第1項之處理器組件，尚包括供壓縮與 加密之用之裝置（44)，其係以配置於該計算單元（12) 與該記憶體（10 )間之資料流形式存在。 5·如申請專利範圍第1項之處理器組件，其中僅有以壓縮 及加密方式儲存於記憶體中之儲存内容在經解密（14a) 、解壓縮（14b)、於該計算單元（12)中處理、壓縮 及加密（22)後需要等量之記憶體。 6·如申請專利範圍第1項之處理器組件，其包括一指令徑 與一資料徑，供解密與解壓縮之該裝置（14)係配置於 該指令徑中，以及 在該指令徑包括一雙線裝置（44 )，配置以將自記憶 -15- 本紙張尺度通用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 561752 A BCD 申清專利範圍 (10)通至计算單元（12)之資料解密及解壓縮，以及 將自計算單元（12)通至記憶體（1〇)之資料壓縮與加密。 7·如申請專利範圍第1項之處理器組件，其t供解密與解 壓縮之該裝置（丨4)係配置以先對記憶内容解密而後解 壓縮。 8·如申請專利範圍第4項之處理器組件，其中供加密與壓 縮之該裝置（44 )係配置以先壓縮而後加密。 9·如申請專利範圍第4項之處理器組件，其中壓縮係利用 該計算單元（12)以軟體實施。 10·如申請專利範圍第1項之處理器組件，其中供解密與解 壓縮之該裝置（14)另配置以施行加密與壓縮功能，該 裝置（14)可受控而執行一操作模式，其係自包括一未 壓縮與未加密模式、一壓縮與未加密模式、一未壓縮與 加密模式或一壓縮與加密模式之群組中選擇而得。 11·如申請專利範圍第1項之處理器組件，其中該記憶體 (10)具有用以儲存未壓縮資料之記憶區及/或用以儲存 未加密資料之記憶區。 12· —種晶片卡，其包括： 一計算單元（12 ); 一裝置（14b)，用以將經加密與壓縮之記憶内容解 壓縮，其中用於解壓縮之該裝置（14)係以資料流形式 配置於該記憶體（10)與該計算單元（12)間；以及 一介面（28)，用以與一終端通訊。 13·如申請專利範圍第12項之晶片卡，其中記憶内容經額外 -16- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 x 297公釐) 561752 A8 B8 C8 __________ D8 六、申請專利範圍 加密’以及其更包括用以將加密之記憶内容解密之裝置 (14a) 〇 14·如申請專利範圍第12項之晶片卡，更包括用以將經介面 (28)轉換至終端之資料壓縮之裝置（30)，其中供壓縮 之用之該裝置（30)係配置於計算單元（12)與介面（28) 間。 15· —種執行保全相關應用之方法，其包括步驟： 自記憶體（10)檢索記憶内容，其中儲存於該記憶體 之該記憶内容係以加密及壓縮型式存在； 將檢索之記憶内容解密（14a)及解壓縮（14b);以 及 處理（12)解密及解壓縮之記憶内容。 16·如申請專利範圍第15項之方法，係藉由晶片卡（26)執 行之。 -17- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)