基于CH375的嵌入式USB文件加解密系统的设计

2 系统结构
嵌入式文件加解密系统主要分为四个部分：运算处理模块、按键与状态显示模块、USB通信模块、电源模块。系统结构框图如图2所示。

运算处理模块由P89V51RD2单片机与32KB的RAM 62256及其外围电路组成,负责加解密计算与整个系统的控制。按键产生加解密操作的控制信号，LED显示当前系统状态。USB通信模块对USB存储设备进行数据传输与文件操作。电源模块为本系统供电并且为USB总线提供5V电源电压。

3 基于CH375的USB HOST在本系统的硬件设计实现
3.1 CH375与P89V51RD2单片机的接口部分
CH375与P89V51RD2单片机的接口如图3所示。CH375 的TXD引脚通过1kΩ左右的下拉电阻接地或者直接接地，使CH375 工作于并口方式。CH375的CS#连接到单片机的A15 引脚，端口地址范围为0000H～7FFFH，为了避免冲突，外部RAM地址在8000H 以上。

电容C3用于CH375 内部电源节点退耦，C3是容量为0.01μF 的独石或高频瓷片电容。电容C4和C5用于外部电源退耦，C4是容量为0.1μF的独石或高频瓷片电容。晶体X1、电容C1和C2组成CH375的时钟振荡电路。USB-HOST主机方式要求时钟频率比较准确，X1的频率为12MHz0.4‰，C1和C2是容量约为15pF的独石或高频瓷片电容。
如果电源上电过程较慢并且电源断电后放电时间较长，将导致CH375不能可靠复位。所以在RSTI引脚与VCC 之间跨接一个容量为0.47μF 的电容C11，并且可以减少干扰。
在设计印刷线路板PCB 时，需要注意：退耦电容C3 和C4尽量靠近CH375 的相连引脚；使UD+和UD-信号线贴近平行布线，尽量在两侧提供地线或者覆铜，减少来自外界的信号干扰；尽量缩短XI和XO引脚相关信号线的长度，减少高频时钟对外界的干扰，并应该在相关元器件周边环绕地线或者覆铜。
3.2 P89V51RD2单片机扩展部分
P89V51RD2单片机扩展部分电路图如图4所示。MCS-51 单片机用U2锁存A7～A0 地址。U3用于简单的地址译码，产生所需的片选信号，使本系统CH375 芯片的片选地址范围为B000H～BFFFH，本系统中CH375 需要占用两个地址：地址BXX1H用于写命令，地址BXX0H 用于读写数据。

3.3 供电电路部分
供电部分电路如图5所示，用于对USB总线供电。设计时除了要考虑自身功耗，更重要的是要保证对总线提供直流5V/500mA的供电。本设计所用的芯片都工作在直流5V下，所以选用常见的直流电压转换芯片μA7805。该系统工作时，只须外接能够输出直流电压为7V～20V的电源适配器即可（可外挂锂电池组或驳接车载12V电源便携使用）。

4 系统软件设计
4.1系统工作流程图
CH375对文件的读写模式分为扇区模式和字节模式。本系统选用速度较快的扇区模式，每次读取4个扇区数据，循环读写至文件结束。工作流程如图6所示。

4.2 单片机软件
单片机软件编写比较复杂，以下是CH375程序编写时的要点：
CH375芯片占用两个地址位，单片机A0 引脚为选择命令数据端口，并通过8 位并口对CH375 芯片进行读写，所有操作命令都是由一个命令码、若干个输入数据和若干个输出数据组成，部分命令不需要输入数据，部分命令没有输出数据^[2]。
单片机对CH375的操作步骤如下：
(1)在A0=1时向命令端口写入命令代码；
(2)如果该命令具有输入数据，则在A0=0 时依次写入输入数据，每次一个字节；
(3)如果该命令具有输出数据，则在A0=0 时依次读取输出数据，每次一个字节；
(4)命令完成，可以暂停或者转到(1)继续执行下一个命令。CH375 芯片专门用于处理USB 通信，在接收到数据后或者发送完数据后，CH375以中断方式通知单片机进行处理。CH375内部中断逻辑图如图7所示。

单片机通过CH375芯片接收数据的处理步骤如下：
(1)当CH375接收到USB主机发来的数据时，首先锁定当前USB 缓冲区，防止被后续数据覆盖，然后将INT#引脚设置为低电平，向单片机请求中断。
(2)单片机进入中断服务程序时，首先执行GET_STATUS 命令获取中断状态。
(3)CH375在GET_STATUS 命令完成后，将INT#引脚恢复为高电平，取消中断请求。

(4)由于通过上述GET_STATUS 命令获取的中断状态是“下传成功”，所以单片机执行RD_USB_DATA 命令从CH375读取接收到的数据。
(5)CH375在RD_USB_DATA 命令完成后释放当前缓冲区，从而可以继续USB通信。
(6)单片机退出中断服务程序。
单片机通过CH375芯片发送数据的处理步骤如下：
(1)单片机执行WR_USB_DATA 命令向CH375写入要发送的数据。
(2)CH375被动地等待USB 主机在需要时取走数据。
(3)USB主机取走数据后，CH375首先锁定当前USB缓冲区，防止重复发送数据，然后将INT#引脚设置为低电平，向单片机请求中断。
(4)单片机进入中断服务程序时，首先执行GET_STATUS 命令获取中断状态。
(5)CH375在GET_STATUS 命令完成后，将INT#引脚恢复为高电平，取消中断请求。
(6)由于通过上述GET_STATUS 命令获取的中断状态是“上传成功”，所以单片机执行WR_USB_DATA 命令向CH375写入另一组要发送的数据。如果没有后续数据需要发送，单片机就不必执行WR_USB_DATA 命令。
(7)单片机执行UNLOCK_USB 命令。
(8)CH375在UNLOCK_USB 命令完成后释放当前缓冲区，从而可以继续USB 通信。
(9)单片机退出中断服务程序。
(10)如果单片机已经写入了另一组要发送的数据，则转到(2)，否则结束。
4.3 加密算法设计
本系统采用一种基于随机因子的轻量级加密算法。
传统的置换和替代加密技术比较脆弱，同一明文M在同一文件或所有文件中均为相同的密文C，因此很容易通过频度统计的办法破解。针对传统的置换和替代加密技术的缺点，本系统在对文件进行加密时加入随机因子，使得明文随着位置的不同其对应密文也有所不同，其基本过程如下：
(1)首先将明文M采取一定的方法“乱”排序：例如将每10个字节分为一组，先在每组内倒序排列，再在组内采取奇偶位置对调，从而完成分组换位的目的。
(2)其次对“乱”排序的二次明文M进行加密处理：加密各明文到密文的转换不是固定的，而是随机的，称为随机加密因子。基本流程如下：
①取出二次明文当前需加密的字节SB。
②计算SB的随机加密因子Factor。
③变换SB到DB，DB=SB XOR Factor^[3]。
其中,SB为明文，DB为加密后的密文。随机加密因子Factor由两部分组成：密钥Key和SB的位置偏移量p（mod 256）。设密钥为：“Huazhong University of Seience and Technology EI DSP Laboratory Zoe”共69个字符。当前需要加密的二次明文为字母A（SB的ASCII码为65，其在文件中的偏移量p为第234个字节），则密钥Key计算方法如下：234 mod 69=27，密钥中第27个字母为i（ASCII码为105），所以Key=105。随机加密因子Factor=（105+234=339）mod 256=73。密文DB=SB XOR Factor=65 XOR 73=8。如果第236个字节也为字母A，可计算出所对应的Factor=85，密文为17。可见同一明文在文件中的位置不同，相应的密文也有所不同，这样就难以通过频度统计的办法破解。
本系统硬件可以与计算复杂度不高的任何加密算法配合使用。
5系统的实验结果与讨论
5.1供电测试
按照USB规范，USB总线接入USB设备时，需要总线提供大约500mA电流。接入USB存储设备时产生瞬时电压降不可避免。如果压降过大，会导致系统不能正常工作。在此，有必要对系统工作时的电压进行监测。测试结果，接入USB设备瞬间，电压高于4.6V，系统无异常。
5.2文件加密准确性测试
使用本系统分别对U盘中大小为1KB～1MB的10个文件进行加密操作，将得到的密文用UltraEdite-32与正确密文进行自动比对。结果全部正确。可见其加密过程可靠性较好。
5.3 速度测试
使用本系统分别对U盘中大小为1KB～10MB的10个文件进行加密操作，分别记录完成时间（从按键操作到LED显示完成）。测得平均加密速度为35KB/s，与CH375公布的100KB/s～200KB/s的读写速度有差距。其原因是加密操作涉及读明文与写密文操作，数据传输量加倍；而且加密计算也需要占用单片机的工作时间。提高速度可使用高性能的MCU，也可对部分子程序改用汇编语言混合编程。
本文详细介绍了基于CH375和51单片机的嵌入式USB文件加解密系统的设计。该系统使文件加解密脱离了PC机，便捷易用，并使用随机加密因子使密文抗破解能力比传统方法有很大提高。
参考文献
[1] 马伟.计算机USB系统原理及其主/从机设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.
[2]USB总线通用接口芯片CH375 U盘文件级子程序库说明.南京沁恒电子有限公司，2004.
[3] 石林祥，贺海晖，魏淑桃. 一种使用文件加密方法的实现，计算机工程，2004,(12).