CN109818745A - 物联网信息安全芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种物联网信息安全芯片，包括通过片内总线互联的中央处理器、动态存储器、闪存、SM2加密算法单元、SM3加密算法单元、SM4加密算法单元、AES加密算法单元、真随机数发生器、物理不可克隆函数电路、I2C接口、UART接口、SPI接口、I/O口、JTAG接口和定时器；真随机数发生器用于产生真随机数，物理不可克隆函数电路用于芯片认证和密钥生成，当需要使用密钥时，真随机数发生器生成的真随机数通过片内总线输入到物理不可克隆函数电路，物理不可克隆函数电路输出唯一的响应序列，该响应序列即为密钥。本发明加解密运算速度较快、具有较少的硬件资源消耗和较低的功耗、密钥不可复制和窃取、安全防伪等级较高。

Description

物联网信息安全芯片

技术领域

本发明涉及信息安全领域，特别涉及一种物联网信息安全芯片。

背景技术

当今是信息科技高速发展的时代，互联网正迅速成为各行各业的载体，推动着行业的进步，而物联网作为提高互联网应用的基础媒介以及先驱，大大提高着行业生产和人们生活的效率。它的应用被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。与此同时，物联网的安全性问题也备受人们关注。

为了保障信息安全，我国国家密码管理局在2010年12月提出了SM2椭圆曲线公钥密码算法、SM3密码杂凑算法和SM4分组密码算法。该三种加密算法的有效结合可满足多种密码应用中的数据加解密、身份认证和数据完整性、真实性的安全需求。从而为我国信息安全提供了有效保障。

基于仲裁器的不可克隆函数是物理不可克隆函数(PUF)在硅上的一种实现形式，主要利用器件的制造工艺偏差而产生的物理随机性，提取出与该物体唯一相关的特征量。通过该特征量可以唯一识别对应的物体，而且该特征量无法被复制，因为生产过程中的工艺偏差是无法被复制的。因此，基于半导体技术的PUF具有不可复制性、唯一性、稳定性、免疫侵入式攻击的性质。目前比较流行的对称加密算法AES、SM4等需要将密钥存储到非易失性储存器里面，这很容易会受到侵入式攻击，导致密钥被复制窃取。而基于硅的仲裁器PUF则能够阻止侵入式攻击，防止密钥被复制窃取，可应用于芯片防伪识别领域。

利用物理方法实现的真随机数发生器(TRNG)是自然界随机物理过程的反映，即使TRNG算法等所有信息被暴露，也无法猜测其结果，即高质量的TRNG产生的随机数永远不具备周期性。因此在信息安全***中，TRNG扮演着重要的角色，比如数据加密、密钥管理、公钥和私钥产生、数字签名、身份鉴定等。

随着集成电路制造工艺的飞速发展，片上***SoC应运而生。SoC极大地缩小了***体积，提高了***的性能；SoC以其集成度高、体积小、功耗少、可靠性好、产品问世周期短等优点得到了越来越广泛的应用。然而在目前市场有些产品采用软件加密方式，导致数据加密速度慢、周期长，同时还有一些产品加密完全由硬件完成，虽然速度较快，但芯片面积较大、功耗较高，无法满足物联网产品的低功耗要求。同时，几乎市场上绝大多数产品都将密钥保存在非易失性存储器中，从而很容易受到侵入式攻击，导致密钥被复制窃取。这些问题严重制约着物联网的普及和发展，对物联网产品带来极大的安全隐患。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种加解密运算速度较快、具有较少的硬件资源消耗和较低的功耗、密钥不可复制和窃取、安全防伪等级较高的物联网信息安全芯片。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种物联网信息安全芯片，包括中央处理器、动态存储器、闪存、SM2加密算法单元、SM3加密算法单元、SM4加密算法单元、AES加密算法单元、真随机数发生器、物理不可克隆函数电路、I2C接口、UART接口、SPI接口、I/O口、JTAG接口和定时器，所述SM4加密算法单元中设有寄存器，所述中央处理器连接片内总线、用于控制所述SM2加密算法单元、SM3加密算法单元和SM4加密算法单元实现数据的加密、解密和签名验签，控制所述真随机数发生器的工作模式以及真随机数的生成，控制所述物理不可克隆函数电路的工作模式以及读取物理不可克隆函数电路生成的密钥，并将所述密钥传送给所述SM2加密算法单元、SM3加密算法单元、SM4加密算法单元或AES加密算法单元，控制所述I2C接口、UART接口和SPI接口实现与芯片外部的设备的通信，控制所述I/O口实现对外部设备的控制以及控制所述定时器的工作；

所述动态存储器连接所述片内总线、用于存储正在运行的临时数据，所述闪存与所述片内总线连接、用于存储代码和常量，所述SM2加密算法单元与所述片内总线连接、用于实现椭圆曲线的点运算和模运算，所述SM3加密算法单元与所述片内总线连接、用于实现SM3密码杂凑算法中的消息扩展和迭代压缩，消息填充和消息分组由所述中央处理器实现，所述中央处理器将密钥和需要加密或解密的数据通过所述片内总输入到寄存器中，所述SM4加密算法单元完成加密或解密运算，通过所述片内总线向所述中央处理器发送读取数据的通知，所述AES加密算法单元与所述片内总线连接、用于在所述中央处理器的控制下实现数据的保密通信；

所述真随机数发生器与所述片内总线连接、用于产生真随机数，并将所述真随机数存储在所述闪存中，所述真随机数用于产生所述密钥，当需要使用所述密钥时，所述真随机数通过所述片内总线输入到所述物理不可克隆函数电路，所述物理不可克隆函数电路收到所述真随机数后输出一个唯一的响应序列，所述响应序列即作为所述密钥，所述物理不可克隆函数电路与所述片内总线连接、用于芯片认证和所述密钥的生成，所述I2C接口、UART接口和SPI接口均与所述片内总线连接、用于实现与所述芯片外部的设备的通信，所述I/O口与所述片内总线连接、用于与所述外部设备进行交互，所述JTAG接口与所述片内总线连接、用于程序在线调试，所述定时器与所述片内总线连接、用于实现计时。

在本发明所述的物联网信息安全芯片中，还包括锁相环，所述锁相环与所述片内总线连接、用于锁定时钟相位并产生所需频率的时钟信号。

在本发明所述的物联网信息安全芯片中，还包括电源管理单元，还包括电源管理单元，所述电源管理单元连接外部电源、用于给所述物联网信息安全芯片进行供电。

在本发明所述的物联网信息安全芯片中，所述外部设备包括外部控制器、传感器、LED、蜂鸣器和按键。

在本发明所述的物联网信息安全芯片中，所述点运算包括点乘、点加和倍点。

在本发明所述的物联网信息安全芯片中，所述模运算包括模加、模减、模乘和模逆。

实施本发明的物联网信息安全芯片，具有以下有益效果：由于设有中央处理器、动态存储器、闪存、SM2加密算法单元、SM3加密算法单元、SM4加密算法单元、AES加密算法单元、真随机数发生器、物理不可克隆函数电路、I2C接口、UART接口、SPI接口、I/O口、JTAG接口和定时器，在保密通信过程中对于运算量较大的数据加解密部分由硬件完成，而中央处理器则负责运算量较小的数据处理及运算控制，该方式在有效提高加解密速度的前提下，能减小芯片面积并降低功耗，同时加解密过程中的密钥由物理不可克隆函数电路生成，物理不可克隆函数电路生成密钥所需的输入数据由真随机数发生器产生，此方式能够有效抵抗侵入式攻击，避免密钥被复制和窃取，同时物理不可克隆函数电路还可用于芯片唯一性识别和认证，进一步提高***的安全等级，因此加解密运算速度较快、具有较少的硬件资源消耗和较低的功耗、密钥不可复制和窃取、安全防伪等级较高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明物联网信息安全芯片一个实施例中的内部结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明物联网信息安全芯片实施例中，该物联网信息安全芯片的内部结构示意图如图1所示。图1中，该物联网信息安全芯片包括通过片内总线互联的中央处理器CPU、动态存储器SRAM、闪存Flash、SM2加密算法单元1(即国密SM2非对称加密算法单元)、SM3加密算法单元2(即国密SM3哈希算法单元)、SM4加密算法单元3(即AM4对称加密算法单元)、AES加密算法单元4(即AES对称加密算法单元)、真随机数发生器TRNG、物理不可克隆函数电路PUF、I2C接口5、UART接口6、SPI接口7、I/O口8、JTAG接口9和定时器10。

具体的，SM4加密算法单元3中设有寄存器(图中未示出)，中央处理器CPU可以直接访问和控制各个模块。中央处理器CPU为低功耗嵌入式处理器，可以采用中天CK802、ARMCortex-M0等。中央处理器CPU连接片内总线、用于负责控制SM2加密算法单元1、SM3加密算法单元2和SM4加密算法单元3实现数据的加密、解密和签名验签，控制真随机数发生器TRNG的工作模式以及真随机数的生成，控制物理不可克隆函数电路PUF的工作模式以及读取物理不可克隆函数电路PUF生成的密钥，并将密钥传送给SM2加密算法单元1、SM3加密算法单元2、SM4加密算法单元3或AES加密算法单元4，控制I2C接口5、UART接口6和SPI接口7实现与芯片外部的设备的通信，通信的内容可以是原始的数据、加密后的数据、解密后的数据以及其它数据等，控制I/O口8实现对外部设备的控制，以及控制定时器的工作，实现精准计时等。

值得一提的是，本实施例中，外部设备包括外部控制器、传感器、LED、蜂鸣器和按键等，当然，在实际应用中，外部设备的种类可以根据具体情况进行相应扩展。

本实施例中，动态存储器SRAM连接片内总线、用于存储正在运行的临时数据，闪存Flash与片内总线连接、用于存储代码和常量。SM2加密算法单元1、SM3加密算法单元2和SM4加密算法单元3是核心保密单元，主要在中央处理器CPU的控制下实现数据的保密通信。

具体的，SM2加密算法单元1与片内总线连接、用于实现椭圆曲线的点运算和模运算，其中，点运算包括点乘、点加和倍点；模运算包括模加、模减、模乘和模逆。每一种运算都可以由中央处理器CPU单独调用，具有很强的灵活性。SM2加密算法单元1和SM3加密算法单元2相配合可实现加密、解密、密钥交换和签名验签等功能。

SM3加密算法单元2与片内总线连接、用于实现SM3密码杂凑算法中的消息扩展和迭代压缩，消息填充和消息分组由中央处理器CPU实现，软硬件协同设计既能提高SM3运算速度，又能降低芯片面积和功耗，从而满足物联网的应用需求。

SM4加密算法单元3和AES加密算法单元4均使用的是对称密码算法，具有速度快和保密性强的优点。中央处理器CPU将密钥和需要加密或解密的数据通过片内总输入到SM4加密算法单元3的寄存器中，SM4加密算法单元3完成加密或解密运算，通过片内总线向中央处理器CPU发送读取数据的通知，AES加密算法单元3与片内总线连接、用于在中央处理器CPU的控制下实现数据的保密通信。

真随机数发生器TRNG与片内总线连接，在该物联网信息安全芯片初次使用时，真随机数发生器TRNG产生一个用于产生密钥的真随机数，并将该真随机数存储在闪存Flash中，当需要使用密钥时，该真随机数可作为物理不可克隆函数电路PUF的输入，物理不可克隆函数电路PUF会输出一个唯一的响应序列，该响应序列即为密钥。由于该密钥与物联网信息安全芯片制造时的工艺误差等因素有关，因此由物理不可克隆函数电路PUF生成的密钥具有防侵入式攻击和不可复制等特点。中央处理器CPU读取密钥后可将I2C接口5、UART接口6和SPI接口7传来的数据进行加解密，并将加解密完成后的数据通过I2C接口5、UART接口6和SPI接口7传出去。

物理不可克隆函数电路PUF与片内总线连接，还可用于芯片认证，也就是说物理不可克隆函数电路PUF可用于芯片认证，也可用于密钥的生成，不可克隆的特性，使芯片具有很强的防伪效果。I2C接口5、UART接口6和SPI接口7均与片内总线连接、用于实现与芯片外部的设备的通信，I/O口8与片内总线连接、用于与外部设备进行交互，该物联网信息安全芯片还可以实现逻辑控制、数据运算等，并通过I/O口8进行控制和交互。JTAG接口9与片内总线连接、用于程序在线调试，能够有效提高编程效率。定时器10与片内总线连接、用于实现精准计时。

该物联网信息安全芯片中集成了中央处理器CPU、SM2加密算法单元1、SM3加密算法单元2、SM4加密算法单元3和AES加密算法单元4等硬件模块。在保密通信过程中，对于运算量较大的数据加解密部分由硬件完成，而中央处理器CPU则负责运算量较小的数据处理及运算控制，该方式在有效提高加解密速度的前提下，能减小芯片面积并降低功耗。同时加解密过程中的密钥由物理不可克隆函数电路PUF生成，物理不可克隆函数电路PUF生成密钥所需的输入数据由真随机数发生器TRNG产生，此方式能够有效抵抗侵入式攻击，避免密钥被复制和窃取。同时物理不可克隆函数电路PUF还可用于芯片唯一性识别和认证，进一步提高***的安全防伪等级。

该物联网信息安全芯片还具有I2C接口5、UART接口6、SPI接口7、I/O口8以及定时器10等，能够满足多种场合下的应用需求。中央处理器CPU可以独立访问SM2加密算法单元1、SM3加密算法单元2、SM4加密算法单元3、AES加密算法单元4、真随机数发生器TRNG和物理不可克隆函数电路PUF，从而有效提高芯片的灵活性和使用范围，具有很强的灵活性。本发明加解密运算速度较快；具有较少的硬件资源消耗和较低的功耗；密钥不可复制和窃取；该物联网信息安全芯片能够做到唯一性识别，且不可克隆。

本实施例中，该物联网信息安全芯片还包括锁相环11，锁相环11与片内总线连接、用于锁定时钟相位并产生所需频率的时钟信号。该物联网信息安全芯片还包括电源管理单元12，电源管理单元12集成在该物联网信息安全芯片的内部，电源管理单元12连接外部电源、用于给该物联网信息安全芯片进行供电，保证芯片的工作稳定。

总之，本发明提供一种集成了32位低功耗处理器(中央处理器CPU)、SM2加密算法单元1、SM3加密算法单元2、SM4加密算法单元3、AES加密算法单元4、真随机数发生器TRNG、物理不可克隆函数电路PUF、定时器10以及***接口的物联网信息安全芯片。本发明加解密运算速度较快、具有较少的硬件资源消耗和较低的功耗、密钥不可复制和窃取、安全等级较高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种物联网信息安全芯片，其特征在于，包括中央处理器、动态存储器、闪存、SM2加密算法单元、SM3加密算法单元、SM4加密算法单元、AES加密算法单元、真随机数发生器、物理不可克隆函数电路、I2C接口、UART接口、SPI接口、I/O口、JTAG接口和定时器，所述SM4加密算法单元中设有寄存器，所述中央处理器连接片内总线、用于控制所述SM2加密算法单元、SM3加密算法单元和SM4加密算法单元实现数据的加密、解密和签名验签，控制所述真随机数发生器的工作模式以及真随机数的生成，控制所述物理不可克隆函数电路的工作模式以及读取物理不可克隆函数电路生成的密钥，并将所述密钥传送给所述SM2加密算法单元、SM3加密算法单元、SM4加密算法单元或AES加密算法单元，控制所述I2C接口、UART接口和SPI接口实现与芯片外部的设备的通信，控制所述I/O口实现对外部设备的控制以及控制所述定时器的工作；

所述动态存储器连接所述片内总线、用于存储正在运行的临时数据，所述闪存与所述片内总线连接、用于存储代码和常量，所述SM2加密算法单元与所述片内总线连接、用于实现椭圆曲线的点运算和模运算，所述SM3加密算法单元与所述片内总线连接、用于实现SM3密码杂凑算法中的消息扩展和迭代压缩，消息填充和消息分组由所述中央处理器实现，所述中央处理器将密钥和需要加密或解密的数据通过所述片内总输入到寄存器中，所述SM4加密算法单元完成加密或解密运算，通过所述片内总线向所述中央处理器发送读取数据的通知，所述AES加密算法单元与所述片内总线连接、用于在所述中央处理器的控制下实现数据的保密通信；

所述真随机数发生器与所述片内总线连接、用于产生真随机数，并将所述真随机数存储在所述闪存中，所述真随机数用于产生所述密钥，当需要使用所述密钥时，所述真随机数通过所述片内总线输入到所述物理不可克隆函数电路，所述物理不可克隆函数电路收到所述真随机数后输出一个唯一的响应序列，所述响应序列即作为所述密钥，所述物理不可克隆函数电路与所述片内总线连接、用于芯片认证和所述密钥的生成，所述I2C接口、UART接口和SPI接口均与所述片内总线连接、用于实现与所述芯片外部的设备的通信，所述I/O口与所述片内总线连接、用于与所述外部设备进行交互，所述JTAG接口与所述片内总线连接、用于程序在线调试，所述定时器与所述片内总线连接、用于实现计时。

2.根据权利要求1所述的物联网信息安全芯片，其特征在于，还包括锁相环，所述锁相环与所述片内总线连接、用于锁定时钟相位并产生所需频率的时钟信号。

3.根据权利要求2所述的物联网信息安全芯片，其特征在于，还包括电源管理单元，所述电源管理单元连接外部电源、用于给所述物联网信息安全芯片进行供电。

4.根据权利要求3所述的物联网信息安全芯片，其特征在于，所述外部设备包括外部控制器、传感器、LED、蜂鸣器和按键。

5.根据权利要求4所述的物联网信息安全芯片，其特征在于，所述点运算包括点乘、点加和倍点。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的物联网信息安全芯片，其特征在于，所述模运算包括模加、模减、模乘和模逆。