元器件：加密存储芯片AT88SC1616的原理
随着嵌入式产品性能的日益提高，嵌入式系统在消费类电子、汽车、工业控制和通信等行业迅速普及；但由于嵌入式系统开发成本高、研发周期长，使得关键技术的加密和重要数据的保密问题日益突出。如何在这些嵌入式系统中采用低成本、高效率的方法保护自己的科研成果不被非法仿制和剽窃，同时保存一些关键代码或数据已成为困扰许研发工程师的问题之一。解决的办法除了采用法律手段保护知识产权外，另一个更加简单有效的方法就是采用加密存储芯片进行硬件电路的加密和重要数据的认证存储。
AT88SCxx系列加密存储芯片是国际著名芯片厂商Atmel公司生产的具有多用途的加密存储系列芯片。其中AT88SC1616是该系列芯片的典型代表。由于其具有多达2KB的EEPROM，利用I2C串行总线通信，采用认证或加密验证等方式进行数据访问，因此以其容量大、体积小、使用方便、安全可靠等特点，在产生开发中得到了广泛的应用。
1 器件简介
1.1 引脚说明
如图1所示，在嵌入式系统中，AT88SC1616常采用SOIC和PDIP两种典型封装。由于器件采用I2C串行总线接口，因此引脚数目少，体积小。各引脚功能如下：
SCL——串行时钟输入脚，用来控制器件所有的数据输入相输出；
SDA——串行数据输入/输出脚；
VCC——电源|稳压器电压，工作电压为3.0～5.5V；
GND——地；
NC——不连接。
1．2 内部结构
如图2所示，AT88SC1616加密存储芯片内部结构主要由电源管理复位模块、同步传输模块、认证单元、密码校验单元、伪随机数发生器和EEPROM等几部分组成。其中电源管理复位模块主要对芯片进行供电、提供复位管理和掉电保护等功能；同步传输模块用于控制在不同通信方式下数据的传输；认证和密码校验单元实现在不同安全等级下用户用户应用区数据访问的安全管理；伪随机数发生器用于进行内部加密机的加密计算；EEPROM则保存需要加密的重要数据和代码。
1．3 主要特点
①具有256B的配置存储区，可根据不同需要定义芯片序列、密码、密钥、认证种和厂家信息等。
②提供2KB的用户应用存储区，可根据不同安全等级将该区划分为16个独立的应用分区，最多可以提供给16个用户使用；也可将具有相同安全等级和密码的多个应用分区进行合并。
③高安全性。对于用户民应用区，具有标准访问、认证访问和加密验证访问两种方式，同时提供多组密码集供读写访问使用。每个应用分区在配置区中都有相应的寄存器控制其安全等级和访问方式。
④高可靠性。提供多达10万次擦写次数和10年的数据保存期。
⑤多种封装。除8脚的PDIP、SOIC封装外，还具有智能卡片封装，可广泛应用于IC卡系统。
⑥高速度。在I2C串行总线方式下，通信速率最高可达1000kb/s。
2 工作原理
2.1 配置区结构
AT88SC1616逻辑加密芯片是一款串行EEPROM，共有2KB的用户应用存储区和256B的系统配置区，应用存储区通过配置可划分成 16个相同容量的应用存储区。分别受8套（16个）读、写密码的控制，错误计数最大8次。这16个应用分区也可以通过配置使用相同的密码和安全等级可自由合并使用。AT88SC1616配置区的结构如图3所示。
①DCR：指定认证次数限制和芯片地址。
②AR0～AR7：确定访问权限，初始化时定义，指定对应的用户应用区访问方式，例如是否需要认证，是否使用密码，使用哪一套密码，是否只读等等。
③AAC：认证错误计数器。
④PAC：密码错误计数器。
供用户使用的16个应用存储区都各有2个24位的密码，可在配置区对其读写操作进行设置，并且每个密码都有计数器限制口令验证次数。
2．2 芯片使用
AT88SC1616芯片为用户访问应用存储区提供了标准、认证和加密三种方式，既方便用户根据实际情况灵活选择加密方式，又提高了系统的安全性。在标准访问方式下，对用户应用区的读写访问无任何限制；在认证方式下，用户必须经过认证，同时要通过不同用户区所设定的密码检验才能正确访问用户数据区，在这种方式下，总线上传输的数据是明文：加密验证模式下访问用户时用户必须首先经过认证，然后利用认证成功后配置区特定寄存器中更新的数据作为密钥再次进行认证，最后还要通过不同用户区设定的密码检验后才可访问用户区，这种方式下总线下传输的数据是经过加密的密文。
接着发送校验和，以和芯片内部的加密机进行校验，校验和不正确芯片会返回错误信息。
4 在嵌入式系统中的应用
由于AT88SC1616具有使用方便、安全可靠等诸多优点，使其在工业控制、消费类电子、医疗器械、计费系统等领域具有广阔的应用前景。笔者已将该芯片用于已开发的选择性漏电保护系统中。在这个系统中的64条供电支路被人为划分成4个区，每个区设定独立的电压、电流和相位。针对不同区的管理员，还设定不同的用户名和密码，这些参量都被保存在AT88SC1616的用户使用区中。我们在维护系统数据安全性方面采用的办法是，在程序中对这些参量的读写访问都设定了密码，密码不正确是不能读写这些参量的，保证了只有真正的供电分区管理员才可对相应区的系统参数进行设定；同时采用加密验证访问方式，使得总线上传输的数据是密文，维护了系统数据的安全性。为防止有些不良用户利用非法手段获取系统时序进行反汇编，以此达到破解系统牟取高额利润的目的，也采用了两个办法来保证整个系统的安全性，一是系统中不定期地对芯片进行认证访问，系统一次认证不成功就返回错误信息；第二是对非法的认证访问数进行错误限制，错误一旦超过8次，芯片锁死，从而维护了我们的知识产权。
出于安全考虑，每个芯片要使用唯一的序列号。笔者还根据实际情况设计了一款针对AT88SC1616的简单实用的编程器，利用该编程器可在芯片正式使用之间对其初始化，将序列号、认证参数、安全等级、访问密码等各种信息写入配置区，使得每一个被初始化的芯片都可以直接在其它系统中应用，大大提高了效率。
