??? 摘? 要： 介紹了采用CH375與單片機實現(xiàn)的基于USB HOST技術(shù)的嵌入式文件加密解密系統(tǒng),，該系統(tǒng)采用基于隨機算子的輕量級加密算法對USB移動存儲設(shè)備" title="存儲設(shè)備">存儲設(shè)備中的文件進(jìn)行加密解密,。
??? 關(guān)鍵詞： USB HOST? 加解密" title="加解密">加解密" title="文件加解密" title="文件加解密">文件加解密">文件加解密? 隨機算子? 嵌入式系統(tǒng)
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??? 隨著信息與通信技術(shù)的飛速發(fā)展,，信息安全與通信加解密在個人隱私特別在軍事情報和國家機密等方面顯得尤為突出,。數(shù)據(jù)加密技術(shù)" title="加密技術(shù)">加密技術(shù)無疑是保護信息安全最有效的一種方法,。傳統(tǒng)的文件加密方式是基于PC平臺的,，不能滿足移動場合的應(yīng)用需求,?；赑C機的加密技術(shù)使明文到密文必須經(jīng)過PC機環(huán)節(jié),，在不能保證PC機軟硬件絕對可靠的情況下，可能失密,?；谇度胧皆O(shè)計的本系統(tǒng)可以便攜使用，并在完成加密或解密過程后可將芯片程序擦除或?qū)⑿酒茐?，避免加解密硬件環(huán)節(jié)的失密,。本設(shè)計提高了系統(tǒng)的安全性，提供了便攜使用的可能,，有一定的理論意義和較高的使用價值,。
1 USB HOST控制器CH375
??? CH375 是一款USB總線的通用接口芯片，支持USB HOST主機方式和USB DEVICE/SLAVE設(shè)備方式,。CH375具有8位數(shù)據(jù)總線和讀,、寫、片選控制線以及中斷輸出,，可以方便地掛接到單片機/DSP/MCU/MPU等控制器的系統(tǒng)總線上,。
??? CH375的USB 主機方式支持常用的USB 全速設(shè)備，外部單片機可以通過CH375 按照相應(yīng)的USB 協(xié)議與USB 設(shè)備通信,。CH375 還內(nèi)置了處理海量存儲設(shè)備的專用通信協(xié)議的固件,，外部單片機可以直接以扇區(qū)為基本單位讀寫常用的USB 存儲設(shè)備（包括USB 硬盤/USB 閃存盤/U盤）[1]。CH375的接口框圖如圖1所示,。
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2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
??? 嵌入式文件加解密系統(tǒng)主要分為四個部分：運算處理模塊,、按鍵與狀態(tài)顯示模塊、USB通信模塊,、電源模塊,。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
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??? 運算處理模塊由P89V51RD2單片機與32KB的RAM 62256及其外圍電路組成,負(fù)責(zé)加解密計算與整個系統(tǒng)的控制,。按鍵產(chǎn)生加解密操作的控制信號,，LED顯示當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài),。USB通信模塊對USB存儲設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與文件操作。電源模塊為本系統(tǒng)供電并且為USB總線提供5V電源電壓,。
3 基于CH375的USB HOST在本系統(tǒng)的硬件設(shè)計實現(xiàn)
3.1 CH375與P89V51RD2單片機的接口部分
??? CH375與P89V51RD2單片機的接口如圖3所示,。CH375 的TXD引腳通過1kΩ左右的下拉電阻接地或者直接接地，使CH375 工作于并口方式,。CH375的CS#連接到單片機的A15 引腳,，端口地址范圍為0000H～7FFFH，為了避免沖突,，外部RAM地址在8000H 以上,。
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??? 電容C3用于CH375 內(nèi)部電源節(jié)點退耦，C3是容量為0.01μF 的獨石或高頻瓷片電容,。電容C4和C5用于外部電源退耦,，C4是容量為0.1μF的獨石或高頻瓷片電容。晶體X1,、電容C1和C2組成CH375的時鐘振蕩電路,。USB-HOST主機方式要求時鐘頻率比較準(zhǔn)確，X1的頻率為12MHz±0.4‰,，C1和C2是容量約為15pF的獨石或高頻瓷片電容,。
??? 如果電源上電過程較慢并且電源斷電后放電時間較長,，將導(dǎo)致CH375不能可靠復(fù)位,。所以在RSTI引腳與VCC 之間跨接一個容量為0.47μF 的電容C11，并且可以減少干擾,。
??? 在設(shè)計印刷線路板PCB 時,，需要注意：退耦電容C3 和C4盡量靠近CH375 的相連引腳；使UD+和UD-信號線貼近平行布線,，盡量在兩側(cè)提供地線或者覆銅,，減少來自外界的信號干擾；盡量縮短XI和XO引腳相關(guān)信號線的長度,，減少高頻時鐘對外界的干擾,，并應(yīng)該在相關(guān)元器件周邊環(huán)繞地線或者覆銅。
3.2 P89V51RD2單片機擴展部分
??? P89V51RD2單片機擴展部分電路圖如圖4所示,。MCS-51 單片機用U2鎖存A7～A0 地址,。U3用于簡單的地址譯碼，產(chǎn)生所需的片選信號,，使本系統(tǒng)CH375 芯片的片選地址范圍為B000H～BFFFH,，本系統(tǒng)中CH375 需要占用兩個地址：地址BXX1H用于寫命令，地址BXX0H 用于讀寫數(shù)據(jù),。
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3.3 供電電路部分
??? 供電部分電路如圖5所示,，用于對USB總線供電,。設(shè)計時除了要考慮自身功耗，更重要的是要保證對總線提供直流5V/500mA的供電,。本設(shè)計所用的芯片都工作在直流5V下,，所以選用常見的直流電壓轉(zhuǎn)換芯片μA7805。該系統(tǒng)工作時,，只須外接能夠輸出直流電壓為7V～20V的電源適配器即可（可外掛鋰電池組或駁接車載12V電源便攜使用）,。
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4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
4.1系統(tǒng)工作流程圖
??? CH375對文件的讀寫模式分為扇區(qū)模式和字節(jié)模式。本系統(tǒng)選用速度較快的扇區(qū)模式,，每次讀取4個扇區(qū)數(shù)據(jù),，循環(huán)讀寫至文件結(jié)束。工作流程如圖6所示,。
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4.2 單片機軟件
??? 單片機軟件編寫比較復(fù)雜,，以下是CH375程序編寫時的要點：
??? CH375芯片占用兩個地址位，單片機A0 引腳為選擇命令數(shù)據(jù)端口,，并通過8 位并口對CH375 芯片進(jìn)行讀寫,，所有操作命令都是由一個命令碼、若干個輸入數(shù)據(jù)和若干個輸出數(shù)據(jù)" title="輸出數(shù)據(jù)">輸出數(shù)據(jù)組成,，部分命令不需要輸入數(shù)據(jù),，部分命令沒有輸出數(shù)據(jù)[2]。
??? 單片機對CH375的操作步驟如下：
??? (1)在A0=1時向命令端口寫入命令代碼,；
??? (2)如果該命令具有輸入數(shù)據(jù),，則在A0=0 時依次寫入輸入數(shù)據(jù)，每次一個字節(jié),；
??? (3)如果該命令具有輸出數(shù)據(jù),，則在A0=0 時依次讀取輸出數(shù)據(jù)，每次一個字節(jié),；
??? (4)命令完成,，可以暫停或者轉(zhuǎn)到(1)繼續(xù)執(zhí)行下一個命令,。CH375 芯片專門用于處理USB 通信,，在接收到數(shù)據(jù)后或者發(fā)送完數(shù)據(jù)后，CH375以中斷方式通知單片機進(jìn)行處理,。CH375內(nèi)部中斷邏輯圖如圖7所示,。
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??? 單片機通過CH375芯片接收數(shù)據(jù)的處理步驟如下：
??? (1)當(dāng)CH375接收到USB主機發(fā)來的數(shù)據(jù)時，首先鎖定當(dāng)前USB 緩沖區(qū),，防止被后續(xù)數(shù)據(jù)覆蓋,，然后將INT#引腳設(shè)置為低電平，向單片機請求中斷,。
??? (2)單片機進(jìn)入中斷服務(wù)程序時,，首先執(zhí)行GET_STATUS 命令獲取中斷狀態(tài),。
??? (3)CH375在GET_STATUS 命令完成后，將INT#引腳恢復(fù)為高電平,，取消中斷請求,。
??? (4)由于通過上述GET_STATUS 命令獲取的中斷狀態(tài)是“下傳成功”，所以單片機執(zhí)行RD_USB_DATA 命令從CH375讀取接收到的數(shù)據(jù),。
??? (5)CH375在RD_USB_DATA 命令完成后釋放當(dāng)前緩沖區(qū),，從而可以繼續(xù)USB通信。
??? (6)單片機退出中斷服務(wù)程序,。
??? 單片機通過CH375芯片發(fā)送數(shù)據(jù)的處理步驟如下：
??? (1)單片機執(zhí)行WR_USB_DATA 命令向CH375寫入要發(fā)送的數(shù)據(jù),。
??? (2)CH375被動地等待USB 主機在需要時取走數(shù)據(jù)。
??? (3)USB主機取走數(shù)據(jù)后,，CH375首先鎖定當(dāng)前USB緩沖區(qū),，防止重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)，然后將INT#引腳設(shè)置為低電平,，向單片機請求中斷,。
??? (4)單片機進(jìn)入中斷服務(wù)程序時，首先執(zhí)行GET_STATUS 命令獲取中斷狀態(tài),。
??? (5)CH375在GET_STATUS 命令完成后,，將INT#引腳恢復(fù)為高電平，取消中斷請求,。
??? (6)由于通過上述GET_STATUS 命令獲取的中斷狀態(tài)是“上傳成功”,，所以單片機執(zhí)行WR_USB_DATA 命令向CH375寫入另一組要發(fā)送的數(shù)據(jù)。如果沒有后續(xù)數(shù)據(jù)需要發(fā)送,，單片機就不必執(zhí)行WR_USB_DATA 命令,。
??? (7)單片機執(zhí)行UNLOCK_USB 命令,。
??? (8)CH375在UNLOCK_USB 命令完成后釋放當(dāng)前緩沖區(qū),，從而可以繼續(xù)USB 通信。
??? (9)單片機退出中斷服務(wù)程序,。
??? (10)如果單片機已經(jīng)寫入了另一組要發(fā)送的數(shù)據(jù),，則轉(zhuǎn)到(2)，否則結(jié)束,。
4.3 加密算法設(shè)計
??? 本系統(tǒng)采用一種基于隨機因子的輕量級加密算法,。
??? 傳統(tǒng)的置換和替代加密技術(shù)比較脆弱，同一明文M在同一文件或所有文件中均為相同的密文C,，因此很容易通過頻度統(tǒng)計的辦法破解,。針對傳統(tǒng)的置換和替代加密技術(shù)的缺點，本系統(tǒng)在對文件進(jìn)行加密時加入隨機因子,，使得明文隨著位置的不同其對應(yīng)密文也有所不同,，其基本過程如下：
??? (1)首先將明文M采取一定的方法“亂”排序：例如將每10個字節(jié)分為一組,，先在每組內(nèi)倒序排列，再在組內(nèi)采取奇偶位置對調(diào),，從而完成分組換位的目的,。
????(2)其次對“亂”排序的二次明文M進(jìn)行加密處理：加密各明文到密文的轉(zhuǎn)換不是固定的，而是隨機的,，稱為隨機加密因子,。基本流程如下：
??? ①取出二次明文當(dāng)前需加密的字節(jié)SB,。
??? ②計算SB的隨機加密因子Factor,。
??? ③變換SB到DB，DB=SB XOR Factor[3],。
??? 其中,SB為明文,，DB為加密后的密文。隨機加密因子Factor由兩部分組成：密鑰Key和SB的位置偏移量p（mod 256）,。設(shè)密鑰為：“Huazhong University of Seience and Technology EI DSP Laboratory Zoe”共69個字符,。當(dāng)前需要加密的二次明文為字母A（SB的ASCII碼為65，其在文件中的偏移量p為第234個字節(jié)）,，則密鑰Key計算方法如下：234 mod 69=27,，密鑰中第27個字母為i（ASCII碼為105），所以Key=105,。隨機加密因子Factor=（105+234=339）mod 256=73,。密文DB=SB XOR Factor=65 XOR 73=8。如果第236個字節(jié)也為字母A,，可計算出所對應(yīng)的Factor=85,，密文為17?？梢娡幻魑脑谖募械奈恢貌煌?，相應(yīng)的密文也有所不同，這樣就難以通過頻度統(tǒng)計的辦法破解,。
??? 本系統(tǒng)硬件可以與計算復(fù)雜度不高的任何加密算法配合使用,。
5系統(tǒng)的實驗結(jié)果與討論
5.1供電測試
??? 按照USB規(guī)范，USB總線接入USB設(shè)備時,，需要總線提供大約500mA電流,。接入USB存儲設(shè)備時產(chǎn)生瞬時電壓降不可避免。如果壓降過大,，會導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作,。在此，有必要對系統(tǒng)工作時的電壓進(jìn)行監(jiān)測。測試結(jié)果,，接入USB設(shè)備瞬間,，電壓高于4.6V，系統(tǒng)無異常,。
5.2文件加密準(zhǔn)確性測試
??? 使用本系統(tǒng)分別對U盤中大小為1KB～1MB的10個文件進(jìn)行加密操作,，將得到的密文用UltraEdite-32與正確密文進(jìn)行自動比對。結(jié)果全部正確,?？梢娖浼用苓^程可靠性較好。
5.3 速度測試
??? 使用本系統(tǒng)分別對U盤中大小為1KB～10MB的10個文件進(jìn)行加密操作,，分別記錄完成時間（從按鍵操作到LED顯示完成）,。測得平均加密速度為35KB/s，與CH375公布的100KB/s～200KB/s的讀寫速度有差距,。其原因是加密操作涉及讀明文與寫密文操作,，數(shù)據(jù)傳輸量加倍；而且加密計算也需要占用單片機的工作時間,。提高速度可使用高性能的MCU,，也可對部分子程序改用匯編語言混合編程。
??? 本文詳細(xì)介紹了基于CH375和51單片機的嵌入式USB文件加解密系統(tǒng)的設(shè)計,。該系統(tǒng)使文件加解密脫離了PC機,，便捷易用，并使用隨機加密因子使密文抗破解能力比傳統(tǒng)方法有很大提高,。
參考文獻(xiàn)
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