專利名稱：基于SoC芯片外部程序安全訪問架構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及安全SoC芯片技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于MCS-52系列SoC芯片外部程序存儲管理架構(gòu)與安全存儲方法的基于SoC芯片外部程序安全訪問架構(gòu)及控制方法，用于擴展MCS-52系列SoC芯片中哈佛存儲器體系結(jié)構(gòu)、外部程序存儲器的分級安全管理，確保指令和敏感數(shù)據(jù)在安全狀態(tài)滿足要求的前提下的執(zhí)行、訪問與監(jiān)管，構(gòu)建信息系統(tǒng)可信根的逐級啟動與傳遞，敏感數(shù)據(jù)的授權(quán)使用，保護SoC芯片資源和應用程序執(zhí)行的安全性。
背景技術(shù)：
目前基于MCS-52系列哈佛存儲器體系結(jié)構(gòu)的SoC芯片，其存儲器組織通常由256 字節(jié)的內(nèi)部緩沖存儲器RAM、64K字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲器和64K字節(jié)的程序存儲器組成。對于用戶來說存儲在外部程序存儲器的指令和敏感數(shù)據(jù)都能被在無任何安全要求的情況下執(zhí)行與訪問，因而對于能進行二次開發(fā)的SoC芯片系統(tǒng)來說程序存儲區(qū)對用戶是完全透明的，沒有任何安全防護措施來保護程序存儲區(qū)的程序被非法或非授權(quán)用戶進行執(zhí)行和調(diào)用，以及敏感數(shù)據(jù)的越權(quán)訪問與使用。對于一個嵌入式安全SoC芯片，其內(nèi)部存儲有各種安全屬性不同的敏感數(shù)據(jù)和程序，SoC芯片運行在不同的安全狀態(tài)下，可執(zhí)行不同安全屬性的敏感程序和訪問不同安全屬性的數(shù)據(jù)，是應用系統(tǒng)對SoC芯片的安全要求，也是可信計算平臺信任根傳遞的基礎(chǔ)。對 SoC芯片運行時的所有敏感程序和數(shù)據(jù)實施分級分層的安全防護措施，能有效防止敏感程序的非法執(zhí)行和越權(quán)調(diào)用，以及敏感數(shù)據(jù)的非法訪問，提高SoC芯片系統(tǒng)運行的安全性。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在通過設(shè)置外部程序存儲區(qū)訪問屬性控制字存儲器、存儲器工作方式控制寄存器和相應的安全訪問控制邏輯電路、訪問外部程序存儲器的三總線重構(gòu)邏輯，實現(xiàn)對外部程序存儲區(qū)程序和敏感數(shù)據(jù)的分級與分塊的安全運行和訪問以及多種安全保護策略，構(gòu)建不同安全等級程序和敏感數(shù)據(jù)之間“防火墻”功能的基于SoC芯片外部程序安全訪問架構(gòu)及控制方法。本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的一種基于SoC芯片外部程序安全訪問架構(gòu)，其特征在于包括內(nèi)部緩沖存儲器 RAM、外部程序存儲區(qū)安全屬性控制存儲器PRAMC、存儲器工作方式控制寄存器MACR、程序執(zhí)行安全控制邏輯電路PESCL、外部數(shù)據(jù)存儲器DRAM與程序存儲器PROM。存儲器工作方式控制寄存器MACR位于SoC芯片的特殊功能寄存器SFR區(qū)，其地址為8HL上述各存儲器與寄存器均通過地址總線AB、數(shù)據(jù)總線DB和控制總線CB與中央處理器單元CPU相連，中央處理器單元CPU通過存儲器工作方式控制寄存器MACR設(shè)置外部程序存儲區(qū)安全屬性控制存儲器PRAMC的工作模式，該存儲器的工作模式?jīng)Q定了安全屬性控制字與程序塊之間的對應關(guān)系。中央處理器單元CPU訪問程序存儲器PROM發(fā)出的地址總線信號AB，通過外部程序存儲區(qū)安全屬性控制存儲器PRAMC轉(zhuǎn)換后譯碼指向程序存儲器PROM的被訪問單元，同時從外部程序存儲區(qū)安全屬性控制存儲器PRAMC中得到該單元的訪問控制屬性即權(quán)限控制值，而中央處理器單元CPU發(fā)出訪問程序存儲器PROM的控制總線信號CB，經(jīng)過PESCL電路對該單元的訪問控制權(quán)限值與中央處理器單元CPU當前所處的安全狀態(tài)值進行邏輯運算的控制重組后，與程序存儲器PROM的訪問控制信號相連，只有當中央處理器單元CPU當前所處的安全狀態(tài)值大于或等于訪問控制權(quán)限值時，被訪問程序存儲器PROM單元數(shù)據(jù)才能通過數(shù)據(jù)總線DB送入中央處理器單元CPU，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的訪問或程序的執(zhí)行。在存儲器工作方式控制寄存器MACR的控制下，通過外部程序存儲區(qū)安全屬性控制存儲器PRAMC和安全訪問控制邏輯電路，完成外部程序存儲區(qū)安全屬性控制存儲器PRAMC安全靜態(tài)和動態(tài)訪問控制方式下的訪問或執(zhí)行屬性控制字與相應程序塊的對應關(guān)系轉(zhuǎn)換，地址總線的動態(tài)重構(gòu)以及控制總線和控制邏輯的重組，確保兩種訪問控制方式下程序安全執(zhí)行或數(shù)據(jù)訪問控制功能的實現(xiàn)。本實用新型具有如下積極效果通過對程序存儲器的每一塊設(shè)置不同的安全訪問或執(zhí)行屬性控制字，可實現(xiàn)對外部程序存儲器的分級安全訪問控制，確保不同安全等級的敏感程序或數(shù)據(jù)得到有效保護，理論上用一個字節(jié)來表示安全訪問或執(zhí)行屬性對應著256 種不同的安全狀態(tài)，用戶可根據(jù)自己的安全需求靈活設(shè)置相應的安全訪問或執(zhí)行控制策略。存儲器動態(tài)管理模式為多任務的運行提供了安全的運行環(huán)境，實現(xiàn)了在較小內(nèi)存資源基礎(chǔ)之上的不同安全等級程序之間的“防火墻”功能，確保了程序分級運行和信任根的逐級傳遞。具體為SoC芯片根據(jù)用戶運行程序安全等級制定相應的安全訪問或執(zhí)行控制策略， 在初始化時將安全訪問或執(zhí)行屬性控制字寫入外部程序存儲區(qū)安全屬性控制存儲器中，不同安全訪問或執(zhí)行控制屬性的指令或數(shù)據(jù)分配各自不同的程序存儲塊，相同安全訪問或執(zhí)行控制屬性的指令或數(shù)據(jù)根據(jù)存儲程序或數(shù)據(jù)的大小可占用相同或不同的程序存儲塊號。 用戶程序在設(shè)計階段嚴格遵守安全訪問或執(zhí)行策略制定程序存儲器安全管理方案，即對程序或數(shù)據(jù)進行分級安全管理。當用戶程序投入運行時，SoC芯片可通過成功完成安全策略制定的各種挑戰(zhàn)后，獲得相應的安全狀態(tài)。如正確驗證用戶口令、成功識別和驗證敏感數(shù)據(jù)使用者的身分、正確執(zhí)行敏感數(shù)據(jù)的交互協(xié)議、密鑰協(xié)商完成、密碼運算單元功能正確、關(guān)聯(lián)功能的正確執(zhí)行等等，都是SoC芯片系統(tǒng)提升當前所處安全狀態(tài)的方法。只有在SoC芯片所處的安全狀態(tài)滿足執(zhí)行對應存儲塊安全訪問或執(zhí)行屬性控制字的要求前提下，才能實施對該程序塊由安全訪問或執(zhí)行屬性控制字所規(guī)定的操作，從而有效保障敏感程序或數(shù)據(jù)在安全可控狀態(tài)下完成其生命周期的全程監(jiān)控，滿足SoC芯片對敏感程序或數(shù)據(jù)的安全保護需要。

圖1為本實用新型的基于SoC芯片外部程序存儲器安全訪問架構(gòu)的示意圖。圖2為本實用新型的外部程序存儲器安全靜態(tài)訪問或執(zhí)行屬性控制字與程序塊的對應關(guān)系圖。圖3為本實用新型的外部程序存儲器安全靜態(tài)訪問控制工作原理圖。圖4為本實用新型的外部程序存儲器安全動態(tài)訪問或執(zhí)行屬性控制字與程序塊的對應關(guān)系圖。[0012]圖5為本實用新型的外部程序存儲器安全動態(tài)訪問控制工作原理圖。
具體實施方式
如圖1所示，本發(fā)明的基于SoC芯片外部程序安全訪問架構(gòu)包括內(nèi)部緩沖存儲器 RAM、外部程序存儲區(qū)安全屬性控制存儲器PRAMC、存儲器工作方式控制寄存器MACR、程序執(zhí)行安全控制邏輯電路PESCL、外部數(shù)據(jù)存儲器DRAM與程序存儲器PR0M。存儲器工作方式控制寄存器MACR位于SoC芯片的特殊功能寄存器SFR區(qū)，其地址為8HL上述各存儲器與寄存器均通過地址總線AB、數(shù)據(jù)總線DB和控制總線CB與中央處理器單元CPU相連，并通過 AB、DB和CB三總線實現(xiàn)CPU與各存儲器和寄存器之間的數(shù)據(jù)與命令交互。如圖2和圖4所示，根據(jù)外部程序存儲器安全訪問控制策略，中央處理器單元CPU 通過存儲器工作方式控制寄存器MACR，設(shè)置外部程序存儲區(qū)安全屬性控制存儲器PRAMC的工作模式，PRAMC的工作模式?jīng)Q定了安全屬性控制字與程序塊之間的對應關(guān)系。當SoC芯片處于安全靜態(tài)訪問控制方式時，外部程序存儲器PROM被劃分為256個程序或數(shù)據(jù)塊，每塊256個字節(jié)。而外部程序存儲區(qū)安全屬性控制存儲器PRAMC的256個存儲單元中，各存放一個程序或數(shù)據(jù)塊的安全訪問或執(zhí)行屬性控制字，使CPU的地址總線信號AB、安全訪問或執(zhí)行屬性控制字PACWi與外部程序存儲塊的塊號BKAddri三者之間構(gòu)成一一對應關(guān)系，即 A15^V8=PACWi=BKAddri,其中i = A15I8的編碼。而當SoC芯片處于安全動態(tài)訪問控制方式時， 外部數(shù)據(jù)存儲器PRAM被劃分為1 個數(shù)據(jù)塊，每塊512個字節(jié)；外部程序存儲區(qū)安全屬性控制存儲器PRAMC也被劃分的1 個字存儲單元，且每個字的高8位存放訪問外部程序或數(shù)據(jù)存儲器的物理塊號，低8位則存放該塊所對應的安全存訪問或執(zhí)行屬性控制字，使CPU 的地址總線信號AB、安全訪問或執(zhí)行屬性控制字PACWi與外部程序存儲塊的塊號BKAddriH 者之間構(gòu)成A15I8 — DACffi=BKAddri的映射與轉(zhuǎn)換關(guān)系，即通過A15I8實現(xiàn)邏輯塊地址到物理塊地址和對應物理塊的安全訪問屬性控制字的轉(zhuǎn)換。如圖3和圖5所示，中央處理器單元CPU訪問程序存儲器PROM發(fā)出的地址總線信號AB，通過外部程序存儲區(qū)安全屬性控制存儲器PRAMC轉(zhuǎn)換后，譯碼指向程序存儲器PROM 的被訪問單元，同時從外部程序存儲區(qū)安全屬性控制存儲器PRAMC中得到該單元的訪問或執(zhí)行屬性控制字即權(quán)限控制值，而中央處理器單元CPU發(fā)出訪問程序存儲器PROM的控制總線信號CB，經(jīng)過PESCL電路對該單元的訪問控制權(quán)限值與中央處理器單元CPU當前所處的安全狀態(tài)值進行邏輯運算的控制重組后，與程序存儲器PROM的訪問控制信號相連。只有當中央處理器單元CPU當前所處的安全狀態(tài)值大于或等于訪問控制權(quán)限值時，被訪問程序存儲器PROM的單元數(shù)據(jù)才能通過數(shù)據(jù)總線DB送入中央處理器單元CPU，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的訪問或程序的執(zhí)行。在中央處理單元CPU的控制下，通過存儲器工作方式控制寄存器MACR、外部程序存儲區(qū)安全屬性控制存儲器PRAMC和程序執(zhí)行安全控制邏輯電路PESCL，本發(fā)明能完成外部程序存儲區(qū)安全屬性控制存儲器PRAMC安全靜態(tài)和動態(tài)訪問控制方式下的訪問或執(zhí)行屬性控制字與相應程序塊的對應關(guān)系轉(zhuǎn)換，地址總線的動態(tài)重構(gòu)以及控制總線和控制邏輯的重組，確保兩種訪問控制方式下程序安全執(zhí)行或數(shù)據(jù)訪問控制功能的實現(xiàn)。一種基于SoC芯片外部程序安全訪問控制方法，其特征在于該方法基于所述基于SoC芯片外部程序安全訪問架構(gòu)之上，包括外部程序存儲器安全靜態(tài)訪問控制方法和安全動態(tài)訪問控制方法。外部程序存儲器安全靜態(tài)訪問控制方法的實現(xiàn)如下在該工作方式下，每個外部程序存儲區(qū)安全屬性控制存儲器的256個存儲單元存放一個外部程序存儲器訪問或執(zhí)行屬性控制字，該訪問或執(zhí)行屬性控制字對應外部程序存儲器256個存儲單元，構(gòu)成一個程序塊。CPU的地址信號AB、訪問或執(zhí)行屬性控制字與外部程序存儲塊的塊號三者之間一一對應，即A1^A8=PACWi=BKAddri,其對應關(guān)系如圖2所示。程序執(zhí)行安全控制邏輯電路PESCL由SoC芯片運行安全狀態(tài)字、外部程序存儲器塊安全訪問或執(zhí)行屬性控制字輸入通道和判決邏輯電路組成。CPU運行需要訪問外部程序存儲器的數(shù)據(jù)或執(zhí)行外部程序存儲器的指令時，只有當SoC芯片運行的當前安全狀態(tài)滿足對應程序存儲塊的安全訪問或執(zhí)行屬性控制字要求時，該電路發(fā)出有效的程序存儲器訪問或執(zhí)行控制信號，完成指令或數(shù)據(jù)的讀出操作，并送入指令譯碼器。外部程序存儲器安全靜態(tài)訪問控制工作原理如圖3所示。CPU運行時，首先設(shè)置存儲器工作方式控制寄存器，選中PRAMC作為芯片的內(nèi)部緩沖存儲器RAM，并根據(jù)外部程序存儲器安全執(zhí)行控制策略，對PRAMC寫入每個程序存儲塊相對應的安全訪問或執(zhí)行屬性控制字。其次，設(shè)置存儲器工作方式控制寄存器，構(gòu)成外部程序存儲器安全靜態(tài)訪問控制工作方式，初始化存儲器工作方式結(jié)束，SoC芯片進入外部程序存儲器安全靜態(tài)訪問控制狀態(tài)。當CPU運行需要執(zhí)行外部程序存儲器的指令或訪問其數(shù)據(jù)時，將地址總線的高8位尋址PRAMC，讀取對應程序塊的安全訪問或執(zhí)行屬性控制字，并與芯片當前所處的安全狀態(tài)進行邏輯運算，滿足程序執(zhí)行安全條件時，PESCL電路給出有效的外部程序存儲器訪問控制信號，且CPU給出的高8位地址選中安全訪問或執(zhí)行屬性控制字所對應的一個存儲塊，低8位地址選中該塊中某一確定的存儲單元，在外部程序存儲器訪問控制信號的控制下，完成指令或數(shù)據(jù)的讀出操作，如果讀出的數(shù)據(jù)是指令的操作碼，則送入指令譯碼器，譯碼并執(zhí)行該條指令。若芯片當前所處的安全狀態(tài)與安全訪問或執(zhí)行屬性控制字進行邏輯運算，不滿足程序執(zhí)行的安全條件時，PESCL電路輸出無效的外部程序存儲器訪問控制信號，則禁止CPU對外部程序存儲器的訪問操作，即禁止對應程序塊存儲指令的執(zhí)行或數(shù)據(jù)的訪問操作。外部程序存儲器安全動態(tài)訪問控制方法的實現(xiàn)如下當SoC芯片處于外部程序存儲器安全動態(tài)訪問控制方式下時，外部程序存儲區(qū)安全屬性控制存儲器PRAMC被劃分為1 個字存儲單元，每個字的高8位存儲訪問外部程序存儲區(qū)的物理塊號，低8位存儲該塊的安全訪問或執(zhí)行屬性控制字，外部程序存儲器對應被劃分為1 塊，每塊512字節(jié)，CPU訪問外部程序存儲器給出16位邏輯地址，低9位用于訪問一塊內(nèi)512個存儲單元中的某一個確定存儲單元，高7位用于尋址PRAMC的1 個字中的某一個確定的字，每個字高8位數(shù)據(jù)指向外部程序存儲器1 塊中的某一塊，低8位則是該塊存儲區(qū)對應的訪問或執(zhí)行屬性控制字，構(gòu)成CPU輸出的高7位地址、外部程序存儲器的物理塊號與該存儲塊對應的安全訪問或執(zhí)行屬性控制字三者之間的映射與轉(zhuǎn)換，即 A15X — BKAddri=PACWi,其對應關(guān)系如圖4所示。程序執(zhí)行安全控制邏輯電路PESCL由SoC芯片運行安全狀態(tài)字、外部程序存儲塊安全訪問或執(zhí)行屬性控制字輸入通道和判決邏輯電路組成。只有當CPU運行的當前安全狀態(tài)滿足對應程序存儲塊的安全訪問或執(zhí)行屬性控制字要求時，該電路發(fā)出有效的程序存儲器訪問控制信號，完成指令或數(shù)據(jù)的讀出操作，如果讀出的數(shù)據(jù)是指令的操作碼，則送入指令譯碼器進行譯碼，譯碼并執(zhí)行該條指令，外部程序存儲器安全動態(tài)訪問控制工作原理如圖5所示。SoC芯片運行時，首先設(shè)置存儲器工作方式控制寄存器，選中PRAMC作為片內(nèi)緩沖存儲器RAM，并根據(jù)外部程序存儲器安全執(zhí)行控制策略，對PRAMC寫入每個程序存儲塊相對應的安全訪問或執(zhí)行屬性控制字和對應的物理塊地址。其次，設(shè)置存儲器工作方式控制寄存器，構(gòu)成外部程序存儲器安全動態(tài)訪問控制方式，初始化存儲器訪問控制方式式結(jié)束，SoC芯片進入外部程序存儲器安全動態(tài)訪問控制狀態(tài)。當CPU運行需要執(zhí)行外部程序存儲器的指令或訪問其數(shù)據(jù)時，將地址總線的高7位尋址PRAMC，讀取對應程序塊的安全訪問或執(zhí)行屬性控制字，并與芯片當前所處的安全狀態(tài)進行邏輯運算，滿足訪問安全條件時， PESCL電路給出有效的外部程序存儲器讀指令或數(shù)據(jù)控制信號，且PRAMC高8位數(shù)據(jù)選中安全訪問或執(zhí)行屬性控制字所對應的一個存儲塊，CPU地址的低9位選中該塊中某一確定的存儲單元，在外部程序存儲器訪問控制信號的控制下，完成指令或數(shù)據(jù)的讀出操作。若芯片當前所處的安全狀態(tài)與安全訪問或執(zhí)行屬性控制字進行邏輯運算，不滿足指令執(zhí)行的安全條件時，PESCL電路輸出無效的外部程序存儲器訪問控制信號，則禁止CPU對外部程序存儲器的訪問操作。若CPU不執(zhí)行外部程序存儲器安全管理策略，即工作于正常外部程序存儲管理模式，執(zhí)行外部程序存儲器取指令或讀數(shù)據(jù)操作時，不執(zhí)行初始化過程，與程序正常執(zhí)行階段的步驟相同，且PRAMC在存儲器工作方式控制寄存器的控制下，作為芯片內(nèi)部緩沖存儲器的擴展使用。本實用新型公開了一種基于SoC芯片外部程序安全訪問架構(gòu)與訪問控制方法，該方法包括存儲管理架構(gòu)的硬件平臺、外部程序存儲器安全靜態(tài)訪問控制方法和安全動態(tài)訪問控制方法的實現(xiàn)機制三個基本部分。本實用新型所指的存儲器管理架構(gòu)是基于MCS-52 系列哈佛存儲器體系結(jié)構(gòu)的芯片，這類結(jié)構(gòu)的SoC芯片大量應用于智能卡領(lǐng)域，在我國有極其廣泛的應用，如銀行IC卡、社會保障卡、SIM卡、市民卡、身份證等芯片。1、外部程序存儲器安全訪問控制架構(gòu)外部程序存儲器安全訪問控制架構(gòu)如圖1所示。由內(nèi)部緩沖存儲器RAM、擴展的外部程序存儲區(qū)安全屬性控制存儲器PRAMC、存儲器工作方式控制寄存器MACR、程序執(zhí)行安全控制邏輯電路PESCL、外部數(shù)據(jù)存儲器DRAM和程序存儲器PROM等組成。存儲器工作方式控制寄存器位于SoC的特殊功能寄存器SFR區(qū)，其地址為8HL上述各存儲器與寄存器均通過地址總線AB、數(shù)據(jù)總線DB和控制總線CB與中央處理器單元CPU相連。CPU通過存儲器工作方式寄存器MACR，設(shè)置外部程序存儲區(qū)安全屬性控制存儲器的工作模式，PRAMC 的工作模式?jīng)Q定了安全屬性控制字與程序塊之間的對應關(guān)系，如圖2和圖4所示。CPU訪問程序存儲器發(fā)出的地址總線信號AB，通過外部程序存儲區(qū)安全屬性控制存儲器的轉(zhuǎn)換后， 譯碼指向程序存儲器的被訪問單元，同時得到該單元的訪問或執(zhí)行屬性控制字即權(quán)限控制值；而CPU發(fā)出的訪問程序存儲器的控制總線信號CB，經(jīng)過PESCL電路對該單元的訪問控制權(quán)限值與CPU當前所處的安全狀態(tài)值進行邏輯運算的控制重組后，與程序存儲器的訪問控制信號相連，如圖3和圖5所示。只有當CPU當前所處的安全狀態(tài)值大于或等于訪問控制權(quán)限值時，被訪問程序存儲器單元的數(shù)據(jù)才能通過數(shù)據(jù)總線DB送入CPU，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的訪問或程序的執(zhí)行。存儲器工作方式控制寄存器MACR各位的定義如下b7b6 保留，在此無任何意義。b5:外部程序存儲器工作方式控制位。1^5=1時，外部程序存儲器為安全動態(tài)訪問控制方式，b5=0時，外部程序存儲器為安全靜態(tài)訪問控制方式。b4:程序存儲體控制允許位。b4=l時，CPU自動選中PRAMC作為PROM的安全屬性控制存儲器；b4=0時，若blb0=10時，選中PRAMC作為內(nèi)部數(shù)據(jù)緩沖存儲器使用，其作用相當于內(nèi)部RAM存儲器的擴展。b3b2:保留，在此無任何意義。blbO:存儲體選擇控制位。若使能位b4=0，且當blb0=00時，選中RAM存儲體作為芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)緩沖存儲器；blb0=10時，選中PRAMC存儲體作為芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)緩沖存儲器； blbO其它編碼保留，以備存儲體的擴展。在MACR寄存器的控制下，通過PRAMC完成外部程序存儲器安全靜態(tài)和動態(tài)訪問控制方式下的訪問或執(zhí)行屬性控制字與相應程序塊之間對應關(guān)系轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)和地址總線的動態(tài)重構(gòu)，以及控制總線和控制邏輯的重組，確保兩種訪問控制方式下程序安全運行或數(shù)據(jù)訪問控制機制的實現(xiàn)。2、外部程序存儲器安全靜態(tài)訪問控制方法的實現(xiàn)在該工作方式下，每個外部程序存儲區(qū)安全訪問屬性控制存儲器的256個存儲單元，存放一個訪問外部程序存儲器訪問或執(zhí)行屬性控制字，該訪問或執(zhí)行屬性控制字對應外部程序存儲器256個存儲單元，構(gòu)成一個程序或數(shù)據(jù)塊。CPU的地址信號AB、 訪問或執(zhí)行屬性控制字PACWi與外部程序存儲塊的塊號BKAddri三者之間一一對應，即 A15I8=PACWi=BKAddri,其對應關(guān)系如圖2所示。程序執(zhí)行安全控制邏輯電路PESCL由SoC芯片運行安全狀態(tài)字、外部程序存儲塊安全訪問或執(zhí)行屬性控制字輸入通道和判決邏輯電路組成。CPU運行需要訪問外部程序存儲器的數(shù)據(jù)或執(zhí)行外部程序存儲器的指令時，只有當SoC芯片運行的當前安全狀態(tài)滿足對應程序存儲塊的安全訪問或執(zhí)行屬性控制字要求時，該電路發(fā)出有效的程序存儲器訪問或執(zhí)行控制信號，完成指令或數(shù)據(jù)的讀出操作。外部程序存儲器安全靜態(tài)訪問控制工作原理如圖3所示。下面以指令MOVC A，0A+DPTR執(zhí)行為例，說明外部程序存儲器安全靜態(tài)訪問控制方式下的工作流程。首先，SoC芯片加電自檢后，進行存儲器工作方式選擇的初始化操作，分為如下三
第一步設(shè)置存儲器工作方式控制寄存器MACR=02H，PRAMC作為內(nèi)部緩沖存儲器 RAM接入CPU工作。第二步初始化PRAMC，寫入各程序塊相對應的安全訪問或執(zhí)行屬性控制字，以及程序運行時所必須的初始化工作，為程序運行作好準備。第三步設(shè)置存儲器工作方式控制寄存器MACR=IOH,配置PRAMC為訪問外部程序存儲區(qū)的安全屬性控制字存儲區(qū)、外部程序存儲區(qū)工作于安全靜態(tài)訪問控制方式、RAM為 CPU內(nèi)部緩沖存儲器。然后，SoC芯片轉(zhuǎn)入程序存儲器安全靜態(tài)訪問控制方式程序執(zhí)行階段，該指令的執(zhí)行分為如下五步第一步CPU取指令從PROM中讀出指令的操作碼，譯碼得知為從PROM中取出由累加器A+DPTR指針指示地址的一個字節(jié)數(shù)據(jù)，送入累加器A。第二步CPU將DPTR寄存器值加上累加器A的值，作為訪問數(shù)據(jù)的地址放入地址總線，從PROM中譯碼指向?qū)拇鎯卧５谌酵瑫r該地址的高8位尋址PRAMC得到對應塊號的訪問或執(zhí)行屬性控制字。第四步程序執(zhí)行安全控制邏輯電路PESCL將訪問或執(zhí)行屬性控制字與當前安全狀態(tài)字進行邏輯運算，滿足訪問條件時，PESCL電路輸出有效的讀取PROM的低電平控制信號，否則輸出無效的高電平信號。第五步CPU輸出低電平有效的PROM讀信號，該信號經(jīng)程序執(zhí)行安全控制邏輯電路PESCL處理后，其輸出的控制信號與PROM存儲器的訪問控制信號相連。若滿足訪問控制安全條件，則A+DPTR指示的存儲單元的數(shù)據(jù)被讀取到數(shù)據(jù)總線上，并送入累加器A中；否則，禁止訪問A+DPTR所指向的存儲單元，并通知CPU該條指令發(fā)生了對所指存儲塊的非法訪問錯誤。對外部程序存儲器的訪問操作只有讀操作，可分為三種類型查表操作類型為 MOVC A, 0A+DPTR和MOVC A, 0A+PC ；取指令與執(zhí)行指令操作類型包括取操作碼、讀操作數(shù)或者操作數(shù)地址；跳轉(zhuǎn)指令操作類型為JMP Addr, JMP @A+DPTR、SJMP rel、JB bit等指令， 該類指令的共同點是將跳轉(zhuǎn)指令執(zhí)行時最終形成的地址，送入地址總路線去取操作碼。無論執(zhí)行上述那類指令，對外部程序存儲器的操作可歸納為讀數(shù)據(jù)、取指令與取操作數(shù)，其實質(zhì)就是對外部程序存儲器的讀操作，只是16位地址的形成方式不同，對外部程存儲器的訪問操作其地址形成方式有A+DPTR、A+PC (程序計數(shù)器)、PC和跳轉(zhuǎn)指令最終形成的16位地址四種，他們的訪問控制機制是完全相同的。若CPU不執(zhí)行外部程序存儲器安全訪問策略，即工作于正常外部程序存儲管理模式，執(zhí)行其它訪問外部程序存儲器指令時，不執(zhí)行初始化操作，與程序正常執(zhí)行階段的步驟相同，且PRAMC在存儲器工作方式控制寄存器的控制下，可作為芯片內(nèi)部緩沖存儲器的擴展使用。3、外部程序存儲器安全動態(tài)訪問控制方法的實現(xiàn)當SoC芯片處于外部程序存儲器安全動態(tài)訪問控制方式時，外部程序存儲區(qū)安全訪問或執(zhí)行屬性控制字存儲器PRAMC被劃分為1 個字存儲單元，每個字的高8位存儲訪問外部程序存儲器的物理塊號，低8位存儲該塊的安全訪問或執(zhí)行屬性控制字，外部程序存儲器對應被劃分為1 塊，每塊512字節(jié)，CPU訪問外部程序存儲器給出16位邏輯地址， 低9位用于訪問一塊內(nèi)512個存儲單元中的某一個確定存儲單元，高7位用于尋址PRAMC 的1 個字中的某一個確定的字，每個字高8位數(shù)據(jù)指向外部程序存儲器1 塊中的某一塊，低8位則是對應塊的訪問或執(zhí)行屬性控制字，構(gòu)成CPU給出的高7位地址、外部程序存儲器物理塊號與該存儲塊對應的安全訪問或執(zhí)行屬性控制字三者之間的映射與轉(zhuǎn)換關(guān)系， 即A15I9 — BKAddri=PACWi,其對應關(guān)系如圖4所示。程序執(zhí)行安全控制邏輯電路PESCL由SoC芯片運行安全狀態(tài)字、外部程序存儲塊安全訪問或執(zhí)行屬性控制字輸入通道和判決邏輯電路組成。只有當SoC芯片運行的當前安全狀態(tài)滿足對應程序存儲塊的安全訪問或執(zhí)行屬性控制字要求時，該電路發(fā)出有效的程序存儲器訪問控制信號，完成數(shù)據(jù)或指令的讀出操作。外部程序存儲器安全動態(tài)訪問控制工作原理如圖5所示。下面以指令MOVC A，0A+DPTR執(zhí)行為例，說明外部程序存儲器安全動態(tài)訪問控制方式下的工作流程。首先，SoC芯片加電自檢后，進行存儲器工作方式選擇的初始化操作，分為如下三第一步設(shè)置存儲器工作方式控制寄存器MACR=02H，PRAMC作為內(nèi)部緩沖存儲器 RAM接入CPU工作。第二步初始化PRAMC，寫入各程序塊相對應的安全訪問或執(zhí)行屬性控制字和對應程序存儲器物理塊號，以及程序運行時所必須的初始化工作，為程序運行作好準備。第三步設(shè)置存儲器工作方式控制寄存器MACR=30H，配置PRAMC為訪問外程序據(jù)存儲區(qū)的安全屬性控制字存儲器、外部數(shù)據(jù)存儲器工作于安全動態(tài)訪問控制方式、RAM為 CPU內(nèi)部緩沖存儲器。然后，CPU轉(zhuǎn)入程序存儲器安全動態(tài)訪問控制方式程序執(zhí)行階段，該指令的執(zhí)行分為如下五步第一步CPU取指令從PROM中讀出指令的操作碼，譯碼得知為從PROM中取出由 A+DPTR指示地址的一個字節(jié)數(shù)據(jù)，送入累加器A。第二步CPU將A+DPTR所形成的地址放入地址總線，A8Ici直接與PROAM中低9位地址線對應相連。第三步同時A+DPTR的高7位A15I9尋址PRAMC得到對應塊號的7位有效地址和該塊的訪問或執(zhí)行屬性控制字，7位地址對應接入PROM的A15I9,與低9位地址一起譯碼指向該塊中唯一的存儲單元。第四步程序執(zhí)行安全控制邏輯電路PESCL將訪問或執(zhí)行屬性控制字與當前安全狀態(tài)字進行邏輯運算，滿足訪問安全條件時，PESCL電路輸出有效的訪問PROM的低電平控制信號，否則輸出無效的高電平信號。第五步CPU輸出低電平有效的PROM讀信號，該信號經(jīng)程序執(zhí)行安全控制邏輯電路PESCL處理后，其輸出的控制信號與PROM存儲器的訪問控制信號相連。若滿足訪問或執(zhí)行安全控制條件，則A+DPTR指示的存儲單元的數(shù)據(jù)被讀取到數(shù)據(jù)總線上，并送入累加器A 中；否則，禁止訪問A+DPTR所指向的存儲單元，并通知CPU該條指令發(fā)生了對所指存儲塊的非法訪問錯誤。由于A+DPTR形成訪問外部程序存儲器的地址由高7位邏輯塊地址和低9位塊內(nèi)偏移地址組成，在訪問外部程序存儲器時需要將邏輯塊地址轉(zhuǎn)換為物理塊地址，而存儲在 PRAMC中某一存儲單元的物理塊地址可以是整個外部程序存儲器1 塊中的任意一塊，這就使得在程序設(shè)計時邏輯上連續(xù)的兩個程序塊，可能在物理上是不連續(xù)的兩塊，這種存儲器管訪問控制方式能實現(xiàn)存儲器的動態(tài)分配、釋放和回收，減少程序存儲區(qū)碎片的產(chǎn)生，提高存儲單元的利用率。
權(quán)利要求1. 一種基于SoC芯片外部程序安全訪問架構(gòu)，其特征在于包括內(nèi)部緩沖存儲器RAM、 外部程序存儲區(qū)安全屬性控制存儲器PRAMC、存儲器工作方式控制寄存器MACR、程序執(zhí)行安全控制邏輯電路PESCL、外部數(shù)據(jù)存儲器DRAM與程序存儲器PR0M，存儲器工作方式控制寄存器MACR位于SoC芯片的特殊功能寄存器SFR區(qū)，其地址為8 ，上述各存儲器與寄存器均通過地址總線AB、數(shù)據(jù)總線DB和控制總線CB與中央處理器單元CPU相連，中央處理器單元CPU通過存儲器工作方式控制寄存器MACR設(shè)置外部程序存儲區(qū)安全屬性控制存儲器 PRAMC的工作模式，該存儲器的工作模式?jīng)Q定了安全屬性控制字與程序塊之間的對應關(guān)系， 中央處理器單元CPU訪問程序存儲器PROM發(fā)出的地址總線信號AB，通過外部程序存儲區(qū)安全屬性控制存儲器PRAMC轉(zhuǎn)換后，譯碼指向程序存儲器PROM的被訪問單元，同時從外部程序存儲區(qū)安全屬性控制存儲器PRAMC中得到該單元的訪問或執(zhí)行屬性控制字即權(quán)限控制值，而中央處理器單元CPU發(fā)出訪問程序存儲器PROM的控制總線信號CB，經(jīng)過PESCL電路對該單元的訪問控制權(quán)限值與中央處理器單元CPU當前所處的安全狀態(tài)值進行邏輯運算的控制重組后，與程序存儲器PROM的訪問控制信號相連，只有當中央處理器單元CPU當前所處的安全狀態(tài)值大于或等于訪問控制權(quán)限值時，被訪問程序存儲器PROM單元數(shù)據(jù)才能通過數(shù)據(jù)總線DB送入中央處理器單元CPU，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的訪問或程序的執(zhí)行，在存儲器工作方式控制寄存器MACR的控制下，通過外部程序存儲區(qū)安全屬性控制存儲器PRAMC和安全訪問控制邏輯電路，完成外部程序存儲區(qū)安全屬性控制存儲器PRAMC安全靜態(tài)和動態(tài)訪問控制方式下的訪問或執(zhí)行屬性控制字與相應程序塊的對應關(guān)系轉(zhuǎn)換，地址總線的動態(tài)重構(gòu)以及控制總線和控制邏輯的重組，確保兩種訪問控制方式下程序安全執(zhí)行或數(shù)據(jù)訪問控制功能的實現(xiàn)。
專利摘要本實用新型涉及一種基于SoC芯片外部程序安全訪問架構(gòu)，由內(nèi)部緩沖存儲器、外部程序存儲區(qū)安全屬性控制存儲器、存儲器工作方式控制寄存器、程序執(zhí)行安全控制邏輯電路、外部數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器組成，存儲器工作方式控制寄存器位于SoC芯片特殊功能寄存器區(qū)。上述各存儲器與寄存器均通過地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線與中央處理器單元相連，CPU通過存儲器工作方式寄存器設(shè)置外部程序存儲區(qū)安全屬性控制存儲器的工作模式，該存儲器工作模式?jīng)Q定安全屬性控制字與程序塊之間的對應關(guān)系，和訪問外部程序存儲器的三總線重構(gòu)邏輯，用于擴展MCS-52系列SoC芯片中哈佛存儲器體系結(jié)構(gòu)、外部程序存儲器的分級安全管理，確保指令和敏感數(shù)據(jù)在安全狀態(tài)滿足要求前提下執(zhí)行、訪問與監(jiān)管，構(gòu)建信息系統(tǒng)可信根的逐級啟動與傳遞，敏感數(shù)據(jù)的授權(quán)使用，不同安全等級程序和敏感數(shù)據(jù)之間的“防火墻”功能，保護SoC芯片資源、存儲的敏感數(shù)據(jù)和應用程序執(zhí)行的安全性。
文檔編號G06F21/00GK202102449SQ20112018858
公開日2012年1月4日 申請日期2011年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月7日
發(fā)明者常朝穩(wěn), 張魯國, 董建強 申請人:鄭州信大捷安信息技術(shù)股份有限公司