【摘 要】
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在信息技术飞速发展的今天,信息安全问题日益严峻。由于计算机CPU在设计之初只考虑提升计算性能而没有考虑安全性,防火墙等传统安全机制难以应对针对逻辑缺陷的攻击,安全防护手段在终端上缺乏控制。为应对外部威胁,可信计算3.0提出主动防御理念,可信计算芯片作为主动免疫防御系统的基础支撑芯片,能依靠国密算法对外部可信设备提供完整性度量、数据加解密等功能。为实现密码算法计算功能,引入微处理器作为运算控制单元。
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在信息技术飞速发展的今天,信息安全问题日益严峻。由于计算机CPU在设计之初只考虑提升计算性能而没有考虑安全性,防火墙等传统安全机制难以应对针对逻辑缺陷的攻击,安全防护手段在终端上缺乏控制。为应对外部威胁,可信计算3.0提出主动防御理念,可信计算芯片作为主动免疫防御系统的基础支撑芯片,能依靠国密算法对外部可信设备提供完整性度量、数据加解密等功能。为实现密码算法计算功能,引入微处理器作为运算控制单元。在众多CPU架构中,RISC-Ⅴ开源且生态配套丰富,拥有模块化的指令集,使得用户能根据需求灵活选择不同的模块组合。采用HDL开发软核微处理器具有成本低、可移植性强的优点,能自主定制符合需求的功能单元。因此,开发一款基于RISC-Ⅴ软核处理器的可信计算芯片具有重要价值和意义。采用五级流水线结构,自主设计32位RISC-Ⅴ软核处理器作为可信计算芯片的微处理器,支持RV32IM指令集。以AXI作为总线系统,利用IP核实现UART、SPI、GPIO等外设,并设计真随机数发生器,从硬件上保证了随机数的不可预测性。移植了RT-Thread操作系统,并基于该操作系统实现可信策略。在可信软件基中以软件形式实现了SM2、SM3密码算法,作为可信密码模块。可信软件基发送命令从宿主机主板BIOS获取核心组件信息,采用SM3杂凑算法计算哈希值,并将计算值与可信白名单中预存哈希校验值比对,根据比对结果输出电源、复位信号;采用SM2公钥密码算法,结合真随机数对数据加密,提高了加密结果的安全性,同时能根据密文及私钥反推出明文,完成解密功能。对处理器内核进行了功能仿真,结果表明各流水级功能正常,在50MHz时钟频率下,运行Coremark/MHz得分为2.48。通过Vivado软件将处理器烧录到Xilinx XC7A100T FPGA上进行验证,针对国产飞腾D2000主板,对从BIOS中提取到的核心组件信息进行哈希值校验,通过串口打印完整性度量结果,成功输出电源及复位控制信号;结合32Byte真随机数以及SM2算法公钥对明文加密得到密文,通过密文及算法私钥能解密得到明文。综合结果表明,该芯片能完成对宿主机的可信完整性度量以及对数据的加解密实现,可以作为可信设备的终端控制单元使用。
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