[发明专利]一种基于SoPC的动态可配置密钥认证系统

权利要求书

1.一种基于SoPC的动态可配置密钥认证系统，其特征在于，本发明出了一种基于SoPC的动态可配置密钥认证系统，包括SOC模块、AMBA AHB总线接口模块、激励判断模块、ECC编码模块以及PUF电路模块；其中SOC模块除了从串口接收激励输入外，还负责从AHB接口接收FPGA的经过ECC编码的PUF码，然后进行ECC解码得到对应激励的PUF码，SOC中CPU根据激励经过数据库查询到数据库中的PUF码，对比FPGA产生的PUF码是否一致；AMBA AHB总线接口模块负责CPU和FPGA通信，FPGA上的电路设计为基于AHB总线的CPU的从机，该接口将CPU传送过来的地址和数据进行寄存，用于FPGA其他模块；激励判断模块负责进行激励可用与否的判断，由于PUF电路只有部分激励可用，因此必须要进行激励可用与否的判断，若激励可用则送到PUF电路模块，否则不执行PUF电路；ECC编码模块负责将PUF电路产生的PUF码进行ECC编码，增强纠错能力，PUF电路模块为FPGA上的核心模块，该模块根据激励生成唯一的PUF码，给到ECC编码模块，经过编码后通过AHB总线送给SOC的CPU进行下一步处理；此外，FPGA上的PUF电路可以通过CPU对FPGA动态配置实现，大大增强了系统的灵活性以及安全性。

2.如权利要求1所述的基于SoPC的动态可配置密钥认证系统，其特征在于，该系统是基于完全自主研发的SoPC芯片设计，SoPC芯片系统架构为龙芯CPU+国产千万门级FPGA，互联通过AMBA AHB总线完成，最后基于SMIC 65nm工艺流片得到，并且围绕该芯片设计了SoPC开发板，该开发板的除了核心SoPC芯片外，还搭配了SDRAM芯片、SPI Flash芯片、SRAM芯片、VGA芯片、USB转串口芯片以及NAND Flash芯片等。

3.如权利要求1所述的基于SoPC的动态可配置密钥认证系统，其特征在于，FPGA上的PUF电路可以通过CPU对FPGA动态配置实现，FPGA上的电路模块有AHB接口模块，激励判断模块，ECC编码模块以及PUF电路模块；其中PUF电路模块由三部分组成；第一部分基于仲裁器的1 bit PUF电路，如图3所示，该电路的原理是，左边输入一脉冲，通过n位信号X[n-1:0]控制该脉冲的路径，该脉冲共有2ⁿ条路径，X的每一次输入值都会产生完全不同的两条路径，由于各条路径的延时不一致，两天路径的总延时也不同，最后比较触发器的D和CLk端，若D端的脉冲先到，则触发器输出为1，否则为0；该电路需要FPGA中严格的对称布局布线，才能达到最好的效果；第二部分基于环形振荡器的1 bit PUF电路，如图4所示，该电路的原理是，首先在FPGA中设计由反相器和与非门组成的环形振荡器，设计2N个环形振荡器，每个环形振荡器的级联反相器数量不同，这样就会导致每个环形振荡器的频率不一致，利用两个数据选择器，每个数据选择器每次次选择一对环形振荡器用于计数，最后比较两个计数器的大小，从而产生0或者1；第三部分组合交换矩阵，该模块作用是将仲裁器的1 bit PUF作为环形振荡器的1 bit PUF电路的输入，同时将1 bit PUF电路变为n bit PUF电路，从结果上来看，是将n位输入变为n个n位信号，给到环形振荡器PUF从而产生n bit PUF码，交换的规则可以任意设计，每个设计存放为一个FPGA的比特流文件：

4.如权利要求1所述的基于SoPC的动态可配置密钥认证系统，其特征在于，FPGA上的PUF电路可以通过CPU对FPGA动态配置实现，大大增强了系统的灵活性以及安全性；SoPC系统若要更改PUF码，只需要通过MAC将FPGA的比特流文件送给SoPC的RAM，CPU逐渐的取出RAM的数据，通过SCI串行总线配置FPGA即可实现PUF码的变更。

5.如权利要求1所述的基于SoPC的动态可配置密钥认证系统，其特征在于，所有的激励都是一次性的，即被用于成功认证一次后，该激励会被打上标记，回写给数据库，数据库中直接删除该激励以及对应的PUF码，大大提高了安全性。