TWI650643B

TWI650643B - 資料儲存晶片及資料存取方法

Info

Publication number: TWI650643B
Application number: TW107102650A
Authority: TW
Inventors: 錢鎮兵; 何東宇; 尹鑫; 劉釗池; 戴洪海
Original assignee: 瑞昱半導體股份有限公司
Priority date: 2018-01-25
Filing date: 2018-01-25
Publication date: 2019-02-11
Also published as: TW201933119A

Abstract

一種資料儲存晶片及資料存取方法。資料存取方法應用於一記憶體。該記憶體包含第一區及第二區，該第一區具有一第一記憶體位址範圍，該第二區具有一第二記憶體位址範圍，且該第一記憶體位址範圍與該第二記憶體位址範圍不重疊。該方法包含：讀取該第一區之一預設位址以得到一控制值；接收一記憶體讀取命令，該記憶體讀取命令包含一目標位址；當該目標位址係位於該第一記憶體位址範圍時，根據該記憶體讀取命令存取該第一區，且當該目標位址係位於該第二記憶體位址範圍時，根據該記憶體讀取命令存取該第二區；以及根據該控制值選擇性地傳送從該第一區讀取的資料。

Description

資料儲存晶片及資料存取方法

本發明是關於記憶體，尤其是關於資料儲存晶片及資料存取方法。

圖1顯示習知晶片外儲存方案的示意圖。晶片110包含微控制器112及記憶體控制器114，記憶體120位於晶片110的外部。微控制器112透過記憶體控制器114存取記憶體120。記憶體控制器114根據微控制器112的存取命令(包含讀/寫指令及記憶體位址)將資料寫入指定的記憶體位址，或從指定的記憶體位址讀取資料。一般而言，微控制器112對記憶體120中的資料擁有完整的存取權限。在這樣的配置下，記憶體120中的資料可能利用以下的方法盜取：(1)卸除記憶體120之後直接對其存取以取得其內部的資料；或(2)篡改微控制器112所執行的軟體，再透過記憶體控制器114取得記憶體120中的資料。鑒於上述的不安全性，習知晶片外儲存方案不適合儲存機密資料，因此有必要提出更安全的資料儲存機制。

鑑於先前技術之不足，本發明之一目的在於提供一種資料儲存晶片及資料存取方法，以提升資料的安全性。

本發明揭露一種資料儲存晶片，包含一記憶體、一計算電路以及一記憶體控制器。記憶體包含一第一區及一第二區。第一區具有一第一記憶體位址範圍，第二區具有一第二記憶體位址範圍，該第一區及該第二區為該記憶體的不同的邏輯區域，且該第一記憶體位址範圍與該第二記憶體位址範圍不重疊。計算電路發送一記憶體存取命令，該記憶體存取命令包含一目標位址。記憶體控制器根據該記憶體存取命令存取該記憶體之該第一區或該第二區。當該目標位址係位於該第一記憶體位址範圍時，該記憶體控制器根據一控制值選擇性地存取該第一區，且當該目標位址係位於該第二記憶體位址範圍時，該記憶體控制器存取該第二區。該記憶體、該計算電路及該記憶體控制器係封裝於單一晶片中。

本發明另揭露一種資料儲存晶片，包含一記憶體、一計算電路以及一記憶體控制器。記憶體包含一第一區及一第二區。該第一區具有一第一記憶體位址範圍，該第二區具有一第二記憶體位址範圍，該第一區及該第二區為該記憶體的不同的邏輯區域，且該第一記憶體位址範圍與該第二記憶體位址範圍不重疊。計算電路發送一記憶體存取命令，該記憶體存取命令包含一目標位址。記憶體控制器根據該記憶體存取命令存取該記憶體之該第一區或該第二區。該記憶體控制器包含一第一控制模組、一第二控制模組以及一資料選擇模組。第一控制模組存取該第一區而不存取該第二區。第二控制模組存取該第二區而不存取該第一區。資料選擇模組耦接該第一控制模組，並且根據一控制值選擇性地將該第一區的資料傳送至該計算電路。當該目標位址係位於該第一記憶體位址範圍時，該第一控制模組根據該記憶體存取命令存取該第一區，且當該目標位址係位於該第二記憶體位址範圍時，該第二控制模組根據該記憶體存取命令存取該第二區。該記憶體、該計算電路及該記憶體控制器係封裝於單一晶片中。

本發明另揭露一種資料存取方法，應用於一記憶體，該記憶體包含一第一區及一第二區，該第一區具有一第一記憶體位址範圍，該第二區具有一第二記憶體位址範圍，該第一區及該第二區為該記憶體的不同的邏輯區域，且該第一記憶體位址範圍與該第二記憶體位址範圍不重疊。該方法包含：讀取該第一區之一預設位址以得到一控制值；接收一記憶體讀取命令，該記憶體讀取命令包含一目標位址；當該目標位址係位於該第一記憶體位址範圍時，根據該記憶體讀取命令存取該第一區，且當該目標位址係位於該第二記憶體位址範圍時，根據該記憶體讀取命令存取該第二區；以及根據該控制值選擇性地傳送從該第一區讀取的資料。

本發明之資料儲存晶片及資料存取方法將記憶體劃分為安全區及非安全區，並且以個別的控制模組及控制邏輯進行存取控制。相較於習知技術，本發明能夠有效地防止機密資料或敏感資料被竊取。

有關本發明的特徵、實作與功效，茲配合圖式作實施例詳細說明如下。

110‧‧‧晶片

112‧‧‧微控制器

114、220、320‧‧‧記憶體控制器

120、230、330‧‧‧記憶體

200、300‧‧‧資料儲存晶片

210、310‧‧‧計算電路

222、322‧‧‧安全區控制模組

224、324‧‧‧非安全區控制模組

232、332‧‧‧安全區

234、334‧‧‧非安全區

326‧‧‧資料選擇模組

S410~S460、S510~S560‧‧‧步驟

〔圖1〕為習知晶片外儲存方案的示意圖；〔圖2〕為本發明之資料儲存晶片的一實施例的功能方塊圖；〔圖3〕為本發明之資料儲存晶片的另一實施例的功能方塊圖；〔圖4〕為本發明一實施例的資料存取方法的流程圖；以及〔圖5〕為本發明另一實施例的資料存取方法的流程圖。

以下說明內容之技術用語係參照本技術領域之習慣用語，如本說明書對部分用語有加以說明或定義，該部分用語之解釋係以本說明書之說明或定義為準。

本發明之揭露內容包含資料儲存晶片及資料存取方法。由於本發明之資料儲存晶片所包含之部分元件單獨而言可能為已知元件，因此在不影響該裝置發明之充分揭露及可實施性的前提下，以下說明對於已知元件的細節將予以節略。此外，本發明之資料存取方法的部分或全部流程可以是軟體及/或韌體之形式，並且可藉由本發明之資料儲存晶片或其等效裝置執行，在不影響該方法發明之充分揭露及可實施性的前提下，以下方法發明之說明將著重於步驟內容而非硬體。

圖2係本發明之資料儲存晶片的一實施例的功能方塊圖。圖中以實線表示物理上或實體上的通訊及資料傳輸，而以虛線表示邏輯上的通訊及資料傳輸。資料儲存晶片200包含計算電路210、記憶體控制器220及記憶體230。計算電路210可以是具有程式執行能力的電路，例如微處理器(micro control unit,MCU)、微控制器(microcontroller)、中央處理單元(central processing unit,CPU)等，但不以此為限。記憶體230在邏輯上分為兩個區域：安全區232及非安全區234。安全區即為受保護的區域，儲存在其中的資料的存取受到限制；非安全區即為未受保護的區域或一般區域，儲存在其中的資料的存取未受到限制。安全區232具有第一記憶體位址範圍，非安全區234具有第二記憶體位址範圍，且第一記憶體位址範圍與第二記憶體位址範圍不重疊，亦即安全區232及非安全區234為記憶體230的不同的邏輯區域。記憶體控制器220包含安全區控制模組222及非安全區控制模組224。計算電路210透過安全區控制模組222存取安全區232，以及透過非安全區控制模組224存取非安全區234。計算電路210、記憶體控制器220及記憶體230封裝在同一晶片或單一晶片中，該晶片具有資料儲存的功能。

當計算電路210欲存取記憶體230時，計算電路210發送包含目標位址的記憶體存取命令。記憶體存取命令包含寫入指令或讀取指令。記憶體控制器220根據記憶體存取命令是寫入指令或讀取指令，來將資料寫入目標位址，或從目標位址讀取資料並將讀取的資料傳送給計算電路210。記憶體控制器220根據記憶體存取命令中的目標位址來決定該次存取操作係由安全區控制模組222存取安全區232或由非安全區控制模組224存取非安全區234。更明確地說，當記憶體控制器220判斷目標位址係位於第一記憶體位址範圍時，使用安全區控制模組222存取安全區232；當記憶體控制器220判斷目標位址係位於第二記憶體位址範圍時，使用非安全區控制模組224存取非安全區234。在一些實施例中，安全區控制模組222及非安全區控制模組224實質上對應或使用同樣的電路，但具有不同的控制邏輯；在其他的實施例中，安全區控制模組222及非安全區控制模組224實質上對應或使用不同的電路。

安全區控制模組222根據記憶體存取命令及控制值決定是否存取安全區232，而非安全區控制模組224根據記憶體存取命令但不根據控制值決定是否存取非安全區234。控制值例如是記憶體控制器220的某個暫存器的暫存值。舉例來說，當控制值為第一數值(例如1或0xFF)時，安全區控制模組222根據記憶體存取命令存取安全區232，而當控制值為第二數值(第二數值不同於第一數值，例如0或0x00)時，安全區控制模組222不存取或不被允許存取安全區232。也就是說，記憶體控制器220(更明確地說，安全區控制模組222)根據控制值選擇性地存取安全區232。另一方面，記憶體控制器220(更明確地說，非安全區控制模組224)則逕行根據記憶體存取命令存取非安全區234，而不參考控制值。換句話說，記憶體控制器220(更明確地說，安全區控制模組222)存取安全區232的權限受到限制，而記憶體控制器220(更明確地說，非安全區控制模組224)存取非安全區234的權限則不受到限制。

藉由將記憶體230劃分為安全區232及非安全區234，並且對其中一者的存取權限加以控制，即可實現對機密資料或敏感資料的保護。由於他人無法得知安全區232對應的記憶體位址範圍，亦不知控制值的設定方式，所以無法藉由篡改計算電路210所執行的軟體的方式來竊取機記憶體230中的機密資料。再者，由於記憶體230係與計算電路210及記憶體控制器220封裝在同一晶片中，將記憶體230從晶片中分離將導致記憶體230受損，因此惡意人士無法藉由強行將記憶體230從晶片中分離來單獨存取其中的資料。

圖3係本發明之資料儲存晶片的另一實施例的功能方塊圖。圖中以實線表示物理上或實體上的通訊及資料傳輸，而以虛線表示邏輯上的通訊及資料傳輸。資料儲存晶片300包含計算電路310、記憶體控制器320及記憶體330。計算電路310可以是具有程式執行能力的電路，例如微處理器、微控制器、中央處理單元等，但不以此為限。記憶體330在邏輯上分為兩個區域：安全區332及非安全區334。安全區332具有第一記憶體位址範圍，非安全區334具有第二記憶體位址範圍，且第一記憶體位址範圍與第二記憶體位址範圍不重疊，亦即安全區332及非安全區334為記憶體330的不同的邏輯區域。記憶體控制器320包含安全區控制模組322、非安全區控制模組324及資料選擇模組326。計算電路310透過安全區控制模組322存取安全區332，以及透過非安全區控制模組324存取非安全區334。計算電路310、記憶體控制器320及記憶體330封裝在同一晶片或單一晶片中，該晶片具有資料儲存的功能。

當計算電路310欲存取記憶體330時，計算電路310發送包含目標位址的記憶體存取命令。記憶體存取命令包含寫入指令或讀取指令。記憶體控制器320根據記憶體存取命令是寫入指令或讀取指令，來將資料寫入目標位址，或從目標位址讀取資料並將讀取的資料傳送給計算電路310。記憶體控制器320根據記憶體存取命令中的目標位址來決定該次存取操作係由安全區控制模組322存取安全區332或由非安全區控制模組324存取非安全區334。更明確地說，當記憶體控制器320判斷目標位址係位於第一記憶體位址範圍時，使用安全區控制模組322存取安全區332；當記憶體控制器320判斷目標位址係位於第二記憶體位址範圍時，使用非安全區控制模組324存取非安全區334。在一些實施例中，安全區控制模組322及非安全區控制模組324實質上對應或使用同樣的電路，但具有不同的控制邏輯；在其他的實施例中，安全區控制模組322及非安全區控制模組324實質上對應或使用不同的電路。

當記憶體存取命令對應寫入指令時，安全區控制模組322將資料直接寫入安全區332，非安全區控制模組324將資料直接寫入非安全區334；當記憶體存取命令對應讀取指令時，非安全區控制模組324將從非安全區334讀取到的目標資料直接傳送給計算電路310，而安全區控制模組322則是將從安全區332讀取到的目標資料傳送至資料選擇模組326，而非直接將目標資料傳送給計算電路310。資料選擇模組326根據控制值AC決定將目標資料或是假資料傳送給計算電路310，假資料不同於目標資料。

控制值例如是資料選擇模組326的某個暫存器的暫存值。舉例來說，當控制值為第一數值(例如1或0xFF)時，資料選擇模組326將目標資料傳送給計算電路310，而當控制值為第二數值(第二數值不同於第一數值，例如0或0x00)時，資料選擇模組326不將目標資料傳送給計算電路310，或是將假資料傳送給計算電路310。也就是說，記憶體控制器320(更明確地說，資料選擇模組326)根據控制值選擇性地將目標資料傳送給計算電路310。另一方面，記憶體控制器320(更明確地說，非安全區控制模組324)則逕行根據記憶體存取命令存取非安全區334，而不參考控制值。換句話說，記憶體控制器320控制計算電路310讀取安全區332的權限，而沒有控制計算電路310讀取非安全區334的權限。

在一個實施例中，控制值AC原本儲存於安全區332中的一個預設位址，並且於適當的時機被載入資料選擇模組326的暫存器中。圖4為本發明一實施例的資料存取方法的流程圖，此流程圖對應計算電路310讀取記憶體330的操作。首先，記憶體控制器320(更明確地說，安全區控制模組322)讀取安全區332的預設位址以取得控制值(步驟S410)，接著將控制值載入資料選擇模組326的暫存器(步驟S420)。記憶體控制器320於接收到來自計算電路310的記憶體讀取命令之後(步驟S430)，判斷記憶體讀取命令中的目標位址對應安全區332或非安全區334(步驟S440)。當目標位址對應安全區332時，記憶體控制器320(更明確地說，安全區控制模組322)讀取安全區332中的目標資料，然後記憶體控制器320(更明確地說，資料選擇模組326)根據控制值選擇性地傳送目標資料給計算電路310(步驟S450)。當目標位址對應非安全區334時，記憶體控制器320(更明確地說，非安全區控制模組324)讀取非安全區334中的目標資料，並且將目標資料直接傳送給計算電路310(步驟S460)。

圖5為本發明另一實施例的資料存取方法的流程圖，此流程圖對應計算電路310的其中一種更新安全區332的資料的操作方法。當計算電路310欲更新安全區332的資料時，計算電路310先發送清除記憶體的命令，然後記憶體控制器320(更明確地說，安全區控制模組322)根據該命令清除安全區332，亦即刪除安全區332中的所有資料(步驟S510)。當安全區控制模組322被清除時，預設位址的資料(即控制值AC)也一併被清除。也就是說，當安全區控制模組322的資料被清除後，預設位址的資料成為第一數值(例如1或0xFF)。接著，記憶體控制器320(更明確地說，安全區控制模組322)將計算電路310提供的資料寫入安全區332(步驟S520)。需注意的是，在步驟S520中，記憶體控制器320(更明確地說，安全區控制模組322)不將資料寫入預設位址；也就是說，計算電路310無法將資料寫入預設位址，所以當步驟S520完成後，預設位址的資料仍舊為第一數值。接著，步驟S520完成之後，資料儲存晶片300重新啟動，而記憶體控制器320(更明確地說，安全區控制模組322)在資料儲存晶片300重新啟動的過程中從安全區332讀取預設位址的資料以得到控制值AC，並將控制值AC載入資料選擇模組326的暫存器(步驟S530)。

當步驟S530完成時，控制值AC為第一數值，所以此時計算電路310可以透過記憶體控制器320讀取安全區332中資料。計算電路310接下來可以讀取安全區332的資料以驗證資料是否被正確地寫入安全區332中(步驟S540)，或是略過步驟S540。隨後(步驟S530或S540結束後)，安全區控制模組322將安全區332中預設位址的資料更改為第二數值(第二數值不同於第一數值，例如0或0x00)(步驟S550)。步驟S550完成之後，資料儲存晶片300重新啟動，而記憶體控制器320(更明確地說，安全區控制模組322)在資料儲存晶片300重新啟動的過程中從安全區332讀取預設位址的資料以得到控制值AC，並將控制值AC載入資料選擇模組326的暫存器(步驟S560)。步驟S560完成後，此時控制值AC為第二數值，安全區332中的資料被限制讀取。請注意，此時安全區332仍可被寫入，亦即可藉由圖5的流程更新其中的資料。

藉由將記憶體330劃分為安全區332及非安全區334，並且利用資料選擇模組326根據控制值來決定安全區332中的資料是否被傳送至計算電路310，資料儲存晶片300可實現對機密資料或敏感資料的保護。由於他人無法得知安全區332對應的記憶體位址範圍，且計算電路310無法直接存取記憶體330的安全區332，所以無法藉由篡改計算電路310所執行的軟體的方式來竊取機記憶體330中的機密資料。再者，由於記憶體330係與計算電路310及記憶體控制器 320封裝在同一晶片中，將記憶體330從晶片中分離將導致記憶體330受損，因此惡意人士無法藉由強行將記憶體330從晶片中分離來單獨存取其中的資料。

在一些實施例中，控制值AC可以是一位元(bit)的資料，該一位元的資料對應整個安全區332；在其他實施例中，控制值AC可以是一位元組(Byte)的資料，此時安全區332可以被劃分為八個子區域，該八個子區域分別對應該位元組的其中一位元。換句話說，記憶體控制器320可以個別控制安全區332中的每個子區域的資料能否被計算電路310讀取。在一些實施例中，預設位址可以是安全區332的最小的或最大的邏輯位址或實體位址。

資料選擇模組326的暫存器及安全區332的預設位址無法被計算電路310存取，如此可以確保安全區332中資料的安全性。在一些實施例中，計算電路310不知道該預設位址為何，而只能透過預設的命令控制記憶體控制器320(更明確地說，安全區控制模組322)存取該預設位址。在一些實施例中，計算電路310可以被設計為在資料儲存晶片300重新啟動時自動發出命令控制記憶體控制器320(更明確地說，安全區控制模組322)讀取預設位址的資料，並將讀取的資料載入資料選擇模組326。

前述的安全區控制模組222/322、非安全區控制模組224/324以及資料選擇模組326可以由硬體配合軟體及/或韌體實作。前述的記憶體可以例如是快閃記憶體、磁性記憶體等非揮發性記憶體。

由於本技術領域具有通常知識者可藉由本案之裝置發明的揭露內容來瞭解本案之方法發明的實施細節與變化，因此，為避免贅文，在不影響該方法發明之揭露要求及可實施性的前提下，重複之說明在此予以節略。請注意，前揭圖示中，元件之形狀、尺寸、比例以及步驟之順序等僅為示意，係供本技術領域具有通常知識者瞭解本發明之用，非用以限制本發明。

雖然本發明之實施例如上所述，然而該些實施例並非用來限定本發明，本技術領域具有通常知識者可依據本發明之明示或隱含之內容對本發明之技術特徵施以變化，凡此種種變化均可能屬於本發明所尋求之專利保護範疇，換言之，本發明之專利保護範圍須視本說明書之申請專利範圍所界定者為準。

Claims

一種資料儲存晶片，包含：一記憶體，包含一第一區及一第二區，其中該第一區具有一第一記憶體位址範圍，該第二區具有一第二記憶體位址範圍，該第一區及該第二區為該記憶體的不同的邏輯區域，且該第一記憶體位址範圍與該第二記憶體位址範圍不重疊；一計算電路，發送一記憶體存取命令，該記憶體存取命令包含一目標位址；以及一記憶體控制器，耦接於該計算電路及該記憶體，根據該記憶體存取命令存取該記憶體之該第一區或該第二區，該記憶體控制器包含：一第一控制模組，存取該第一區而不存取該第二區；一第二控制模組，存取該第二區而不存取該第一區；以及一資料選擇模組，耦接該第一控制模組，根據一控制值選擇性地將該第一區的資料傳送至該計算電路；其中，當該目標位址係位於該第一記憶體位址範圍時，該第一控制模組根據該記憶體存取命令存取該第一區，且當該目標位址係位於該第二記憶體位址範圍時，該第二控制模組根據該記憶體存取命令存取該第二區；其中，該記憶體、該計算電路及該記憶體控制器係封裝於單一晶片中；其中該第一控制模組係讀取該第一區之一預設位址，並將該預設位址的資料載入該資料選擇模組以作為該控制值；其中當該第一區被清除後，該預設位址的資料係為一第一數值，且當該控制值為該第一數值時，該資料選擇模組將該第一區的資料傳送至該計算電路。
如申請專利範圍第1項所述之資料儲存晶片，其中當該記憶體存取命令為一讀取命令，且該目標位址係位於該第一記憶體位址範圍時，該第一控制模組係將該第一區中的資料傳送至該資料選擇模組。
如申請專利範圍第2項所述之資料儲存晶片，其中當該控制值為該第一數值時，該資料選擇模組將該第一區中的資料傳送至該計算電路，且當該控制值為一第二數值時，該資料選擇模組不將該第一區中的資料傳送至該計算電路，該第一數值不等於該第二數值。
一種資料存取方法，應用於一記憶體，該記憶體包含一第一區及一第二區，該第一區具有一第一記憶體位址範圍，該第二區具有一第二記憶體位址範圍，該第一區及該第二區為該記憶體的不同的邏輯區域，且該第一記憶體位址範圍與該第二記憶體位址範圍不重疊，該方法包含：讀取該第一區之一預設位址以得到一控制值；接收一記憶體讀取命令，該記憶體讀取命令包含一目標位址；當該目標位址係位於該第一記憶體位址範圍時，根據該記憶體讀取命令存取該第一區，且當該目標位址係位於該第二記憶體位址範圍時，根據該記憶體讀取命令存取該第二區；以及根據該控制值選擇性地傳送從該第一區讀取的資料；其中當該控制值為一第一數值時，傳送從該第一區讀取的資料，以及當該控制值為一第二數值時，不傳送從該第一區讀取的資料，該方法更包含：清除該第一區；其中，當該第一區被清除後，該預設位址的資料為該第一數值。
如申請專利範圍第4項所述之方法，更包含：於該第一區被清除後，於該第一區寫入資料；以及於資料寫入完成後，在該預設位址寫入該第二數值。