2 安全控制器硬件架構(gòu)的設(shè)計實現(xiàn)

本設(shè)計采用USB接口芯片+FPGA的方案來實現(xiàn)安全控制器的硬件架構(gòu)，通過微處理器器對USB接口芯片的控制即可實現(xiàn)USB通信。采用USB接口芯片有助于降低開發(fā)費用，縮短系統(tǒng)的開發(fā)周期。

2.1 USB接口芯片選型

本設(shè)計中，安全控制器既要實現(xiàn)USB Host的功能，又要實現(xiàn)USB Device的功能。因此，若能采用一片USB接口芯片實現(xiàn)兩者的功能，則有助于降低硬件系統(tǒng)的復(fù)雜性。綜合USB芯片的功能需求、價格、硬件復(fù)雜性等因素，本設(shè)計選用NXP公司的ISP1761作為USB接口芯片。

ISP1761是一個單芯片的高速USB OTG 控制器，在其單芯片上集成了一個OTG控制器、一個主機(jī)控制器和一個外設(shè)控制器，主機(jī)和外設(shè)控制器兼容USB2.0協(xié)議，并支持480 Mb/s的高速傳輸。ISP1761有3個USB接口，接口1可以被配置為Host接口、Device接口或者OTG接口，接口2、3只能被配置為Host接口。在OTG模式下，ISP1761的接口1可通過跳線靈活配置成Host接口或Device接口。ISP1761可以直接與目前市場上的大多數(shù)帶尋址功能的微處理器直接連接，微處理器通過讀寫ISP1761內(nèi)部的寄存器或存儲器即可實現(xiàn)USB通信功能。ISP1761支持DMA傳輸，可以提高數(shù)據(jù)的吞吐率[4]。

2.2 控制器整體硬件架構(gòu)

安全控制器整體硬件架構(gòu)如圖3所示，由SoPC模塊和ISP1761芯片及按鍵組成。SoPC模塊使用Altera公司提供的開發(fā)工具SoPC Builder生成，主要由NiosⅡ控制器、內(nèi)存、加解密模塊、JTAG、ISP1761控制器、鎖相環(huán)、PIO控制器和DMA控制器組成。

NiosⅡ控制器作為整個系統(tǒng)的核心，完成對各個模塊的調(diào)度和控制;鎖相環(huán)為系統(tǒng)各個模塊提供所需要的時鐘;加解密模塊完成數(shù)據(jù)流的加解密功能;ISP1761控制器則用來連接NiosⅡ控制器和ISP1761芯片，通過該控制器，NiosⅡ處理器可以訪問ISP1761芯片內(nèi)部的寄存器和存儲器;DMA控制器負(fù)責(zé)PC機(jī)到控制器、控制器到U盤的數(shù)據(jù)傳輸，提高數(shù)據(jù)傳輸速率。ISP1761芯片分別連接主機(jī)和U盤，在NiosⅡ的控制下實現(xiàn)USB Host接口和USB Device接口的功能。

3 安全控制器固件的設(shè)計實現(xiàn)

3.1 固件模塊及層次的劃分

安全控制器固件實際上是運行于NiosⅡ處理器上的COS(Chip Operating System)，主要負(fù)責(zé)監(jiān)控USB Host接口及USB Device接口的狀態(tài)，解析PC機(jī)發(fā)出的命令，對系統(tǒng)各個模塊進(jìn)行調(diào)度，實現(xiàn)PC機(jī)到U盤間的數(shù)據(jù)通信，完成數(shù)據(jù)流的加解密。

安全控制器固件主要包括初始化模塊、USB Host模塊、USB Device模塊、DMA模塊、密碼模塊等。各模塊的功能如下：

(1)初始化模塊：安全控制器系統(tǒng)的啟動;ISP1761芯片接口的配置，將接口1配置成USB Host接口，接口2配置成USB Device接口。

(2)USB Host模塊[5]：檢測USB接口芯片Host接口的狀態(tài)，檢測U盤的插入和移除等;向插入的USB設(shè)備發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)的USB標(biāo)準(zhǔn)命令，獲取設(shè)備描述符、配置描述符、接口描述符、端點描述符等;向插入的USB設(shè)備發(fā)出USB MassStorage類命令，獲取設(shè)備的容量等基本信息及對設(shè)備進(jìn)行讀寫操作。

(3)USB Device模塊：向PC機(jī)報告USB設(shè)備的插入;響應(yīng)PC機(jī)發(fā)出的標(biāo)準(zhǔn)的USB命令，返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)，如各種描述符等。此時返回的描述符應(yīng)為安全控制器的描述符;響應(yīng)PC機(jī)發(fā)出的USB MassStorage命令，返回設(shè)備的基本信息，此時返回的基本信息應(yīng)為U盤的信息。

(4)加解密模塊[6]：身份認(rèn)證方案的實現(xiàn)，如用戶口令的保存、更改等;加解密算法的高速實現(xiàn)及密鑰的保護(hù)等。

(5)DMA模塊：DMA控制器的配置、啟動等。

安全控制器固件層次劃分如圖4所示，主要包括硬件抽象層、USB協(xié)議層和批量傳輸層。硬件抽象層主要實現(xiàn)NiosⅡ處理器對外設(shè)的讀寫以及對ISP1761芯片內(nèi)部寄存器和存儲器的訪問;USB協(xié)議層通過對ISP1761芯片的控制實現(xiàn)USB協(xié)議;批量傳輸層則實現(xiàn)MassStorage類的操作，通過Bulk-In和Bulk-Out端點，完成CBW、數(shù)據(jù)、CSW的傳輸。安全控制器在批量傳輸層對數(shù)據(jù)進(jìn)行扇區(qū)級的加解密操作，不進(jìn)行文件系統(tǒng)級的解析。