基于高速单片机的PCMCIA加密卡的设计与实现

论文摘要

课题来源于金盾办工程项目“公网(GPRS/CDMA)移动数据安全接入与认证管理系统”(J1GAB23W013),旨在为IP安全接入系统的移动终端提供基于PCMCIA接口的密码服务。论文分析了加密卡的国内外研究现状及功能特点,分析了密码学相关理论,深入研究了密码算法的实现方式和加密卡的安全初始化方式,并对PCMCIA标准和特点作了说明。针对IP安全接入的功能、性能和安全性需求,提出了以C8051F122为主控模块、SCB2和RSA算法芯片为主要算法模块、双口RAM为缓冲模块、接口芯片为接口模块的硬件架构方案。论文对C8051F122片上资源和端口等进行了分配,设计了C8051F122的主要控制流程,给出了具体的电气原理图和PCB版图,并完成了加密卡的具体实现。在软件模块方面,根据加密卡功能和模块组成,利用开发调试工具编写、调试单片机程序;设计了以C8051F122命令解释控制模块为核心的主要软件模块,包括五大类各种RSA、SCB2算法和密钥操作等函数,算法、缓冲芯片的控制接口等;并根据WDM驱动程序模型,利用地址映射、应用程序与驱动程序之间的通信、中断处理等关键技术设计了加密卡驱动程序并进行性能测试,其结果满足移动IP安全接入系统的要求。在安全性设计方面,设计了密钥、证书等敏感信息的保护机制和存储方法,密钥管理体系采用三层密钥机制,对密钥生成与更换、密钥分发、密钥存储与备份、密钥分层保护、密钥的销毁等给出了具体的方法;论文还通过参数初始化、初始口令设置与口令认证、设备合法性认证和硬件正确性进行检查等,增强了系统的安全性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 加密卡概述及国内外研究现状
• 1.2.1 加密卡概述
• 1.2.2 国内外研究现状
• 1.3 本文的主要研究工作
• 1.4 本文的结构
• 第二章 PCMCIA加密卡相关设计技术研究
• 2.1 密码学相关理论
• 2.1.1 加密通信模型
• 2.1.2 算法和密钥
• 2.1.3 对称密码体制和公开密码体制
• 2.2 密码算法的实现方式研究
• 2.2.1 基于微处理器或 DSP的实现方式
• 2.2.2 基于专用密码算法芯片的实现方式
• 2.2.3 基于 FPGA/CPLD的实现方式
• 2.3 加密卡安全初始化技术研究
• 2.3.1 安全初始化的目的及意义
• 2.3.2 加密卡的安全初始化方式
• 2.4 PCMCIA接口技术研究
• 2.4.1 PCMCIA标准
• 2.4.2 PCMCIA接口特点
• 2.5 本章小结
• 第三章 PCMCIA加密卡的总体设计
• 3.1 总体设计
• 3.1.1 总体目标
• 3.1.2 设计原则
• 3.2 系统逻辑结构与工作原理
• 3.2.1 系统逻辑结构组成
• 3.2.2 系统工作原理
• 3.3 硬件模块构成
• 3.4 软件模块构成
• 3.5 本章小结
• 第四章 硬件电路的设计与实现
• 4.1 加密卡整体硬件架构设计
• 4.2 主控模块 C8051F122
• 4.2.1 C8051F122主要组件特性
• 4.2.2 C8051F122片上资源的分配及利用
• 4.2.3 C8051F122主控流程
• 4.3 PCMCIA接口电路
• 4.4 缓冲芯片双口RAM IDT71V321
• 4.5 SCB2算法芯片 SSX30-C
• 4.6 RSA算法芯片 SIC03-A
• 4.7 PCB板设计
• 4.8 系统功耗
• 4.9 本章小结
• 第五章 软件设计与实现
• 5.1 软件开发与调试工具
• 5.2 软件模块实现
• 5.2.1 PCMCIA加密卡的主控流程
• 5.2.2 主要软件模块实现
• 5.2.3 对称算法的加密解密
• 5.2.4 非对称算法的加密、解密、签名和验证
• 5.3 加密卡驱动程序设计
• 5.3.1 WDM及开发工具简介
• 5.3.2 WDM驱动程序模型
• 5.3.3 驱动实现的关键技术
• 5.4 加密卡性能测试
• 5.4.1 测试环境
• 5.4.2 测试结果
• 5.5 本章小结
• 第六章 安全性设计
• 6.1 加密卡初始化
• 6.1.1 参数初始化
• 6.1.2 口令认证与初始口令设置
• 6.2 密码算法
• 6.3 密钥管理体系
• 6.4 加密卡硬件安全保护机制
• 6.5 本章小结
• 第七章 结束语
• 7.1 工作总结
• 7.2 主要创新点
• 7.3 下一步的工作
• 参考文献
• 附录 加密卡部分芯片电气连接原理图
• 作者简历 攻读硕士期间主要工作
• 致谢