FPGA开发技能(7)Vivado设置bit文件加密

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文章目录

前言
1. AES加密原理
2.xilinx的AES方案
3.加密流程
- 3.1生成加密的bit流
- 3.2将密钥写入eFUSE寄存器
4.验证结论
5.传送门

前言

在FPGA的项目发布的时候需要考虑项目工程加密的问题，一方面防止自己的心血被盗，另一方面也保护公司资产，保护知识产权。Xilinx的器件大概有两种加密方案，一种是本文介绍的AES加密算法，另一种则是利用multiboot配置和Device DNA，其大概是流程是，xilinx提供了读取Device DNA的原语，用户逻辑通过原语读取Device DNA然后与用户逻辑的加密模块做运算得到一个数字串，将该数字串与存放在Flash特定区域的密文做对比，如果一致证明该FPGA通过授权可以启动用户逻辑，如果失败则可设置不启动。存放在Flash特定区域的密文也是通过Device DNA与用户逻辑中的加密算法提前计算得到的。因为Flash不仅要存储密文还要存储bit流，因此需要用到multiboot配置。Xilinx7系列支持AES256加密算法，可以防止程序回读和逆向，杜绝用抄板的方式窃取劳动成果。 本文介绍AES加密算法的原理，加密操作的流程以及加密的作用。

1. AES加密原理

AES加密算法是一种对称加密算法，用于保证私密信息不被泄露，对称是指加密法和解密方使用的密钥是一致的。AES的Key支持三种长度：AES128，AES192，AES256 。xilinx采用AES256，使用密码块链接模式（Cipher Block Chaining mode，CBC mode）（AES有五种模式CBC是其中的一种）。 AES256的加密原理是把明文按照256bit拆分成若干个明文块，如果最后有数据不足256bit按照一定的方式来填充最后一个明文块。每一个明文块利用AES加密器和密钥，加密成密文块。拼接所有的密文块，成为最终的密文结果。从图中可以看出，CBC模式在每一个明文块加密前会让明文块和一个值先做异或操作。IV作为初始化变量，参与第一个明文块的异或，后续的每一个明文块和它前一个明文块所加密出的密文块相异或。由下图可以看到，实现AES256加密算法需要提供密钥、初始向量IV以及256bit-HMAC。HMAC是为了避免bit被篡改，HMAC（Hash-based Message Authentication Code，基于散列函数的消息认证码）是一种用于验证数据完整性和真实性的认证方法。它通过将数据与密钥进行散列处理，生成固定长度的认证码，然后将认证码与数据一起发送给接收方。接收方在接收到数据后使用相同的密钥和散列函数进行计算，然后比较生成的认证码是否一致，从而可以判断数据是否被篡改或伪造。HMAC认证可以有效防止数据在传输过程中被篡改或伪造，以确保数据的完整性和真实性。
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2.xilinx的AES方案

以上介绍的是AES加密算法本身的原理，xilinx是如何利用这个加密算法的呢？
Xilinx可通过JTAG接口将用户指定的密钥（或者软件生成的，这里包括上一节提到的三个密钥）写入eFUSE寄存器（采用熔断丝技术一生只能写一次，且写且珍惜~），同时Vivado工具负责根据用户指定的密钥对bit流进行 AES加密。FPGA在加载加密后的bit流时，会根据用户设置的密钥通过片上的 AES解密逻辑电路进行 AES解密，从而还原得到器件可以识别的未加密bit流，从而被正确加载。具体的操作流程见下一节。
此外，Xilinx提供了几个寄存器配置选项，提供灵活的加密配置。如下图所示，7系列查看UG470，KU系列查看UG570，操作时按照下文推荐配置即可。需要注意eFUSE Control Register的CFG_AES_Only，如果该位被设置为1，则FPGA上电之后将强制进行解密操作，一旦bit流没有设置密钥或者密钥不正确，将不会被加载，因此一定慎用该寄存器，否则一旦密钥丢失，FPGA将变成废铁。
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3.加密流程

3.1生成加密的bit流

①打开“Open Elaborated Design”，此时在“Generate Bitstream”右键才会出现下图中蓝色字体“Configure additional bitstream settings”，单击它
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②设置使能bit流加密，设置选择密钥存储位置为EFUSE。这里可以手动指定三个密钥的值，这个选择不指定即不填写任何东西，软件工具将会自动生成。

③设置回读配置为LEVEL1即禁止回读。此处要注意，并不是禁止从Flash里面回读，也就是说通过JTAG接口在hardware manager中选择flash器件点击右键选择readback configuration memory device依然可以回读，这里是告诉配置工具在 FPGA 配置完成后不要自动读取配置数据进行校验。
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④上述配置完成之后一定在Elaborated Design界面点击保存或者ctrl+s配置才能生效，保存后会发现xdc文件中多了两句话，然后重新生成bit流，在与bit文件同级的文件夹中将会出现与bit流同名但后缀是nky的文件，这就是软件自动生成的密钥文件。现在生成mcs文件并烧写进FPGA发现FPGA不会启动，这是因为FPGA内部还没有密钥，需要进行下一节的操作。
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3.2将密钥写入eFUSE寄存器

①打开vivado软件，连接JTAG并上电，打开Open Hardware Manager，进入Hardware界面，点击Auto Connect。在芯片名字上右键，选择Program eFUSE Registers。
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②勾选Enable AES key programming，选择上一节生成的后缀为nky的文件，然后选择next。

③勾选Enable control register programming，接着按照如图所示勾选，此处千万不能勾选出错，否则造成严重后果！然后点击next。
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④最后一页无需勾选，按照默认next即可，最后单击finish。导出的后缀nkz的文件将记录eFUSE的密钥信息和相关寄存器的配置信息。

4.验证结论

准备两块一摸一样的板卡A和B，制作一个简单的测试程序。
①在A板卡上配置了eFUSE寄存器，并将密钥写入eFUSE寄存器，此时烧写不加密的bit文件或者mcs文件，都是可以正常工作，并且回读A中的MCS文件烧写到B，B可以正常工作。
②在A板卡按照上述第三节配置，配置了eFUSE寄存器，写入密钥，并设置禁止回读，发现仍然可以回读，证明xdc中设置的禁止回读并不是禁止从flash读回mcs文件。
③给A板卡写入密钥1，并将工程用密钥1生成bit流，此时回读工程写入B板卡，B板卡无法完成FPGA代码加载。这里可以看出加密的最重要的作用就是禁止回读后逆向。同样如果给B写入的密钥不是密钥1，那么显然B还是无法加载。
④给A板卡在不写入密钥的情况下烧写加密的bit文件，FPGA无法完成加载。