深入分析intel FPAG AES應用筆記

FPGA在運行期間，把配置文件存儲在SRAM中。SRAM是易失性的。掉電之后會丟失，所以FPGA每次上電都要從外部的Flash中加載數據到FPGA。這樣在加載時Flash中的數據很有可能被攔截，被攔截的數據如果沒有被加密則很有可能被盜用。

通俗的講加密的原理就是，用戶用自己的密鑰把配置文件進行加密，并把密鑰燒寫到FPGA；FPGA通過該密鑰再對配置文件解密，并把解密后的數據存放在SRAM中。

這里以一個實驗來描述AES的操作步驟，軟件采用QuartusPrame 18.1 Standard版本，硬件采用的是arrow的Cylone V soc demo板。

步驟如下：

1、通過用戶寄密鑰生成.ekp 文件，并加密配置數據。

2、將用生成的密鑰加密編程到FPGA 中。

3、配置FPGA 器件。

1、通過用戶寄密鑰生成.ekp 文件，并加密配置數據。

這里以Arria10為例。

在菜單File -》 Convert Programming File

選擇sof燒寫文件，點擊Properties，打開Bitsteam Encryption對話框。

添加密鑰的兩種方式，一種是手動256位16進制數字，一種是添加文件。

（1）添加key文件。

key文件的后綴為.key。格式為：

The “#” symbol is used to denote comments. Each valid key line has the following format： 《key identity》《white space》《256-bit hexadecimal key》。

（2）通過按鍵輸入密鑰

點擊Add。在這里Key Name我們命名為‘aa‘，Key要求256位，這里手動添加了’0123456789abcfef0123456789abcfef0123456789abcfef0123456789abcfef’。這讓我想起以做加密的時候遇到的一個問題：就是數據的LSB是指0還是指f呢？當然這里是完全不需要關注的。

設置完成后點擊ok，再Convert Programming File對話框中的Generate就生成了加密的.ekp和加密和配置文件（這里以jic為例）。

2、將用生成的密鑰加密編程到FPGA 中。

FPGA 內嵌一個專用的解密模塊，通過運用AES 算法對采用用戶定義的256-bit 密鑰的配置數據進行解密。您必須在接收到加密數據前將用戶定義的256- bit 密鑰寫入器件中。

FPGA 支持易失性以及非易失性密鑰存儲。易失性密鑰需要電池來存儲和更新密鑰，而

非易失性密鑰存儲僅支持對一個密鑰進行編程，不需要電池。電池的供電PIN為VCCBAT.

并通過Tools-》Options-》Programmer來配置燒寫的密鑰寄存器位置。

勾選Configure volatile design security key when available來配置易失性密鑰寄存器。

不勾選 Configure volatile design security key when available則配置非易失性密鑰寄存器。

mode模式選擇JTAG.先燒寫.ekp文件到密鑰寄存器，再燒寫jic文件配置器件。

下圖是燒寫時可能遇到的錯誤。

3、配置FPGA 器件。

FPGA 內嵌一個專用的解密模塊，通過運用AES 算法對采用用戶定義的256-bit 密鑰的配置數據進行解密。FPGA上電之后會把配置芯片的數據加載到FPGA通過密鑰和解密模塊對加密的數據進行解密，再把解密后的配置數據加載到SRAM中去。

要說明的是成功地將易失性密鑰編程到FPGA 器件中后，該器件既能夠接受加密的配置數據，也能夠接受未加密的配置數據。如果用帶有使用錯誤的密鑰進行加密的配置文件對FPGA 進行配置，都將導致配置的失敗。如果這種情況發生，那么來自FPGA 的nSTATUS 信號將變低。

另外FPGA還可以設置篡改保護位，對FPGA的燒寫應用會也有很大的影響。詳細的文檔說明請看an556，an556_cn.

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編輯：jq