基于MEMS强链和FPGA的USB移动硬盘数据加解密系统
随着信息量的急剧增长，信息安全日益受到人们重视。一个完整的数据加解密系统应该具备安全可靠的密码认证机制和加解密算法。本文基于MEMS 强链、USB控制器和FPGA设计了一种USB接口的高效数据加解密系统，采用AES加密算法。普通IDE硬盘挂接该系统后成为安全性极高的加密USB 移动硬盘，其平均数据吞吐率接近普通U 盘，达到10MB/s.
1. 系统结构布局
该系统由CypressCY7C68013USB2.0 控制器、Altera EP2C35 FPGA 和MEMS 强链构成， 图1 描述了整个系统的硬件布局。
MEMS 强链负责对用户输入的密码进行验证。CY7C68013 USB 控制器内含增强型51核，它不 但能高效处理USB 协议事务，而且是整个系统的控制中心。EP2C35 FPGA 一端连接USB 控制 芯片的GPIF 接口，一端连接IDE 硬盘，它负责从IDE 总线中区分出控制信号、读写硬盘寄存器的数据信号和读写硬盘扇区的数据信号，然后仅对写入硬盘扇区的数据作加密处理，对读出 硬盘扇区的数据作解密处理。
2. MEMS 强链
MEMS 强链的棘爪能卡住棘轮，从而能精确定位到固定的位置，棘爪装有电磁驱动型电机， 使其具有误码鉴别与自复位功能，因而可用于信息安全，实现密码锁的功能。鉴码机构由两组 电磁型微步进电机驱动反干涉齿轮集A 和B，反干涉码轮集中机械固化了密码。反干涉齿轮集 在正确解码时，码齿之间互相没有接触；当出现错码时，码齿相互干涉，反干涉齿轮集卡死。 使用光电耦合机构，在正确接收到24位密码时光电能量耦合，系统开启。图2 是MSMS 强链 结构图。
3. 物理密钥与密码认证
物理密钥是相对于逻辑密钥而言的，逻辑密钥通常以二进制形式存在于芯片内部ROM 区，容易被**。而物理密钥固化在机械结构内部。本设计采用的反向啮合齿轮集鉴码机构所蕴含 的密钥就属于物理密钥。它的结构相当隐含，不是专业人士即使知道了鉴码机构，也很难推出其密码。
密码认证开始时，USB 控制器把接收到的来自PC 的24 位待验证二进制密码以脉冲的形 式传递给强链。强链的电机会根据脉冲驱动码轮。若密码正确，反干涉齿轮*无摩擦的走通 一周回到原位；只要有一位密码错误，反干涉齿轮*在该位卡死。USB 控制器根据强链的反 馈信号作出判断，如果验证通过，则将该系统枚举成一个可移动磁盘，并把该正确密码传递给 FPGA，作为AES 加密算法的密钥；否则向PC 机返回验证失败的信息。
4. ATA 协议控制器的实现
从密码认证通过，枚举开始的那一刻起，USB 控制器得到了对硬盘的访问权。 根据 ATA 协议，对支持UltraDMA传输方式的IDE 硬盘而言，操作归结为两种，对硬盘接 口寄存器读写以及对硬盘扇区进行Ultra DMA 批量扇区。为了对硬盘数据进行加解密，我们把 FPGA 插入连接GPIF 接口和硬盘接口的IDE 总线，这样所有控制信号和数据信号都要通过 FPGA，受到FPGA 的监视和控制。
