基于ck-core安全芯片bootloader开发和应用

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1、基于CK?Core安全芯片Bootloader开发和应用　　摘要：随着嵌入式技术的快速发展，多接口和多功能的Bootloader得到越来越多的应用，但其设计开发过程却非常复杂。为了实现定制安全芯片的软硬件初始化，并成功下载其片内操作系统（COS），设计并实现了一种支持多接口和多功能的Bootloader。该Bootloader根据安全芯片及其CK?CoreCPU的结构特点开发，程序结构简洁高效，对Bootloader的设计和开发提供了有力参考。关键词：嵌入式系统；Bootloader；COS；安全芯片；CK?Core中图分类号：TN9

2、11?34文献标识码：A文章编号：1004?373X（2013）22?0137?060引言15随着IT技术的迅猛发展，人们对信息安全的要求越来越高。如何有效保障信息在交互过程中的安全性，成为一个日益重要的问题。安全芯片作为信息安全嵌入式产品的核心部分，能够独立进行密钥生成、加解密。其内部拥有独立的处理器和存储单元，可存储密钥和特征数据，为实际应用提供加密和安全认证服务。在国家开展的“新一代宽带无线移动通信网”科技重大专项中，如何保证宽带多媒体集群系统的安全性是项目的重要研究部分，而由我国自主研发的新一代安全加密芯片便是该重大专项中安全

3、加密子系统的核心。该定制芯片采用具有自主知识产权的32位RISC安全CPU核——CK?Core，对于我国信息安全事业，尤其是警用信息安全技术的发展具有重要的意义。在嵌入式系统软件开发中，引导加载程序（Bootloader）的开发是第一个环节，它对整个系统的正常运行起着关键作用。Bootloader的实现取决于对应硬件环境及整个嵌入式系统的功能需求，例如ARM通过U?Boot来引导，而DSP可以直接从EPROM或其他的处理器加载操作系统到DSP运行。本文的安全芯片Bootloader根据安全芯片及其CK?CoreCPU的结构特点设计开发

4、，具有多接口、多功能、程序结构简洁高效的特点。本文即从设计方案、软件实现、软件功能测试及应用等角度详细论述了该引导加载程序（Bootloder）的开发过程，从而为Bootloader的设计开发人员提供了一定的参考。1开发系统总述15本文提出的引导/装载程序（Bootloader）是基于定制安全芯片进行设计开发的。本芯片属于我国自主设计研发的新一代安全芯片，是国家十二五科技重大专项“新一代宽带无线移动通信网”相关课题的研究成果，适用于集群终端设备、基站设备等多用途高速安全加密领域。该芯片为项目中安全加密子系统的建立奠定了基础，安全加密子

5、系统的示意图如图1所示。其中安全密码芯片是终端、基站、安全服务器实现信息安全要求的基本设备，能够提供身份信息、密钥信息等敏感信息的安全存储；并能够完成通信信息加解密，以实现鉴权、空口加密和端到端加密功能。本安全芯片采用CK?Core作为CPU核。CK?Core是面向嵌入式系统和SoC应用领域的32位高性能低功耗嵌入式CPU核，采用了具有自身安全保护逻辑的16/32位混合编码RISC指令集[1]。其采用自主设计的体系结构和微体系结构并具有可扩展指令、可配置硬件资源、可重新综合、易于集成等优点。本芯片采用国内先进的0.18μm工艺生产，硬

6、件实现了所有主流的密码算法，包括国产密码算法SM1，SM2，SM3等，与同类安全芯片相比，加解密功能更加强大，性能更加优越；芯片支持USB2.0，UART，SPI、高速SPI（SSPI）等多种I/O接口，极大拓展了芯片的应用领域及生命周期；为使芯片的应用更为灵活，芯片内置了多种类型存储器（SRAM，FLASH，ROM）。其中Bootloader存放在芯片16KB的ROM里，代码密度高，在保证空间资源充足的前提下充分缩减了芯片成本，并且具有保存稳定、读取方便的特点。15在结构上，本定制安全芯片采用更加高效的多总线结构，芯片的架构图如图2

7、所示。传统的基于共享总线结构的单层AHB总线已经不能满足多处理器系统高带宽和低延时的要求。本安全芯片采用的多层AHB总线结构代表了一种更先进的片上总线互连策略，既可以减少多Master系统的访问延时，也可以增加总线带宽。在安全性方面，首先，本芯片所有数字逻辑全部采用离散电路，即使攻击者重构版图也无法得到芯片结构与IP信息，从而有效抑制破坏性攻击及反向工程；另外，本安全芯片含有多种保护机制，如过流及频率保护、环境失效保护（EnvironmentalFailureProtection，EFP）等，有效抑制了非破坏性攻击。本文所述Bootl

8、oader的开发即基于上文所述的硬件环境。软件开发方面，Bootloader通过C语言及汇编指令实现，开发环境为专门适用于CK?Core的集成开发环境C?SkyDevelopmentSuit（CDS）。CDS是一个基于E