基于MEMS和FPGA的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Cypress CY7C68013 USB2.0 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，容易被破解。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。