基于计算机总线的CPLD加密电路

本文采用计算机ISA、PCI总线和打印机接口设计加密电路。利用CPLD设计电路，具有加密性能好的特点。通过串行EEPROM AT93C46设计一个并行加密电路，密码存储在电路器件中。ISA总线直接对CPLD进行读取密码。PCI总线可以通过W89C940af对CPLD操作，读取设置密码。
关键词：计算机；加密电路；ISA和PCI总线
引言
计算机硬件技术在不断进步，例如CPU的运行速度由初期的2~16MHz，到如今的1GHz以上，内存由原来的1Mbit到现在的256~512Mbit，这些都给软件运行提供了良好的环境，同时也带动了计算机软件行业的大力发展。
随着软件产品的广泛应用，对软件的知识产权保护也开始重要。软件产品通过系列号码加密，每一个软件均有唯一的产品系列号码。软件产品配置加密电路板后，软件产品和该产品软件加密板同时售出，用户在使用时一套软件要配备一块加密板，通过控制加密板，就可以保证软件产品安全。

计算机访问外部设备地址
计算机系统是通过主板上的I/O接口地址来实现访问外部设备的。例如，读取硬盘中的数据是通过直接访问1F0~1F7H的接口地址，也就实现了访问硬盘的操作。当鼠标器连接到串行口COM2时，计算机在上电复位时自动启动鼠标的串行通讯功能。计算机的系统接口地址如表1所示，在表中简要介绍了主要的系统地址，还有一些接口地址未列入其中，其中并行接口LPT1和LPT2为专用打印机使用，地址分别是278~27FH、378~37FH。计算机接口被不断的开发，并行接口已经有了更多的用途。

基于ISA总线的加密电路
利用计算机ISA总线设计一个密码电路，可以实现加密的目的。ISA总线加密电路如图1所示，利用Xilinx等公司可编程逻辑器件(CPLD)可以设计一组加密电路。在电路中，IC1 是Xilinx公司的可编程逻辑器件XC9572，有84个引脚，其中可作为I/O的有68个引脚，内部有1600个逻辑门，72个宏单元，响应速度7~15ns。P1是ISA总线引脚。D0~D7是计算机访问外部设备的8位数据总线，a0~a19是访问外部设备的20条地址总线，ior是读外部设备数据信息的读选通线，iow是向外部设备发送信息或命令的写选通线，rst是计算机的复位线，在复位时，加密卡与计算机同时复位。
将ISA总线的地址a(19,0)、ior、iow和aen经过译码作为片选、时钟，对一组触发器电路进行操作，就能够读取密码数据。在选择地址时，a(10)~a(19)为空，既随机状态。加密电路地址可以选择打印机接口地址278H、279H、27AH。例如选择278H，在加密电路中，通过地址278H读取一组低8位数据D(7,0)，就能够作为软件运行的密码，控制软件是工作还是退出。在图中，利用Xilinx公司的Project Navigator软件设计了一组只读八-D触发器电路，并将触发器的输入端A1、A2、A4、A5、A8设置为“1”电平，把A3、A6、A7设置为“0”电平，当读取触发器时有恒定数据9BH，此数据即为密码。
其中ISA总线的选通278H地址的逻辑公式是：
G1 = "a<3>" * "a<4>" * "a<5>" * "a<6>" * /"a<7>" * /"a<8>" * /"a<9>" * /"a<0>" * /"a<1>" * /"a<2>" */aen */ ior (1)

基于PCI总线的加密电路
计算机的PCI总线被普遍应用，一些速度快、内存容量大的新型计算机主板已经以PCI总线为主。PCI总线的特点是体积小，速度快。设计计算机的板卡利用PCI总线是大势所趋。利用PCI总线设计加密电路如图2所示。电路中利用了华邦(Winband)公司生产的计算机PCI总线接口电路W89C940，最大运行速度是10MS。PCI总线与ISA总线在工作原理上有所区别。PCI总线卡必须拥有驱动程序，不同功能的计算机卡的驱动程序也不相同，因此计算机所有的PCI总线电路都必须配备一只串行EEPOAM ，例如AT93C46，用来存放驱动码。
对图2中加密电路进行设计时，同样利用Xilinx公司的Project Navigator软件设计一组可以写数据、再读数据的八-D触发器电路，得到PCI总线的加密电路如图3所示。电路的数据D[7：0]经过输入缓冲器BUFE8输入到八-D触发器，其控制选通端是IN，当IN信号为“1”时，数据D[7：0]输入到触发器，并且锁存数据；当输出选通信号OUT为“1”时，输出数据Q[7：0]传输到D[7：0]，即读取八-D触发器的数据。计算机软件在运行时，通过写、读数据就起到加密的作用。

并行接口的加密电路
并行加密电路的设计都是选用计算机的并行打印机接口。计算机的打印机接口LPT1，数据传输形式、连接器插座等在IEEE1284中有明确的规定。其主要特性是，数据传送总线DB7~DB0，打印机工作忙时，pin1是数据锁存信号，pin10是打印机接收数据。Atmel公司的EEPROM器件AT93C46，具有比较低的工作电流，所以将其正电源VCC连接到ERR端。其工作方式是首先输入控制字，读取数据就写入读控制字，写器件就写入写控制字，之后才能读或写16位(16bit)数据。读操作过程是，写入读控制字，写入7位(7bit)地址，接下来就可以在输出端接收数据，每当输入一个时钟，就有一位(1bit)输出，输出16位后自动结束。打印机接口的加密电路可以设计许多种方式，例如；时间电路，写入电路的数据与读出数据的时间相关。

结语
经过实际设计证明，基于计算机总线设计加密电路的方法，方便实用。这种方法的结构简单，利用CPLD设计加密电路方便可行，能够比较好地实现加密功能。计算机加密电路的设计有多种方法，各种方法具有不同的优缺点。实际上，在电路的设计过程中，可以增加一些逻辑功能用来实现功能加密、工作状态加密、实时数据加密等电路，这样能够更好地起到真正加密的作用。

参考文献
1黄敬禹 苏枫. 计算机硬件维修与升级. 北京，电子工业出版社.1998，pp48~53.
2 Kevin Skahill编著. 微型计算机集成电路.南京，东南大学出版社. 1988，pp262~310.
3 薛宏熙，等.MACH可编程逻辑器件及其开发工具. 北京，清华大学出版社.1998，pp97~114