Atmel AT88SC0104CA CryptoMemory芯片：高性能安全存儲解決方案

在電子設計領域，安全存儲一直是至關重要的環節。Atmel的AT88SC0104CA作為CryptoMemory家族的一員，為我們提供了一個高性能且安全的存儲解決方案。今天，我們就來深入了解一下這款芯片的特點、應用及相關技術細節。

文件下載：AT88SC0104CA-TH-T.pdf

一、芯片概述

AT88SC0104CA是一款具備高級安全和加密特性的高性能安全存儲器，擁有1-Kbit的用戶內存。其用戶內存被劃分為四個32字節的區域，每個區域都能單獨設置不同的安全訪問權限，也可以組合起來為一到四個數據文件提供存儲空間。該芯片還具備增強的命令集，可直接與微控制器硬件的2線接口通信，有助于加快固件開發速度并減少代碼空間需求。

二、芯片特性

（一）內存特性

1. 用戶內存：屬于1 - Kbit到8 - Kbit用戶內存設備家族，擁有1 - Kbit（128字節）的EEPROM用戶內存，分為四個256位（32字節）的區域，具備自定時寫周期，支持單字節或16字節頁寫模式，每個區域的訪問權限可編程設定。
2. 配置區域：2 - Kbit的配置區域，包含37字節的OTP區域用于用戶自定義代碼，以及160字節的區域用于用戶自定義密鑰和密碼。

（二）安全特性

1. 認證協議：采用64位相互認證協議（獲ELVA許可）。
2. 加密功能：提供加密消息認證碼（MAC）、流加密功能，有四組密鑰用于認證和加密，八組兩個24位的密碼。
3. 防護機制：具備防撕裂功能、電壓和頻率監測功能，能有效保護數據安全。

（三）智能卡特性

兼容ISO 7816 Class B（3V）操作，遵循ISO 7816 - 3異步T = 0協議（Gemplus?專利），支持多區域、多密鑰集和多密碼的多應用使用，擁有同步2線串行接口以實現更快的設備初始化，可編程的8字節復位應答寄存器，并且符合ISO 7816 - 2標準。

（四）嵌入式應用特性

1. 供電要求：低電壓供電，范圍為2.7V – 3.6V。
2. 數據存儲：為敏感系統或用戶信息提供安全的非易失性存儲。
3. 接口特性：采用2線串行接口（TWI，5V兼容），支持1.0MHz的快速操作。
4. 封裝形式：采用標準的8引腳塑料封裝，符合環保要求（超過RoHS標準），引腳配置與Atmel? AT24CXXX串行EEPROM在SOIC和PDIP封裝中相同。

（五）可靠性

• 耐久性：具有100,000次的寫入循環壽命。
• 數據保留：數據可保留10年。
• 靜電防護：最小靜電放電保護為2,000V。

三、引腳分配與說明

（一）引腳分配

（二）引腳說明

1. 電源電壓（$V_{cc}$）：由主機提供2.7V到3.6V的正電壓。
2. 時鐘（SCL/CLK）：異步T = 0協議時，CLK（SCL）輸入為設備提供載波頻率f；同步協議時，寫設備數據在時鐘上升沿同步，讀數據在時鐘下降沿同步。
3. 復位（RST）：提供符合ISO 7816 - 3的異步復位應答（ATR）序列，激活復位序列時，設備輸出64位復位應答寄存器中的字節，RST輸入引腳內部上拉，使設備可在不連接RST的情況下以同步模式運行，但同步模式下不支持復位應答序列。
4. 串行數據（SDA/IO）：用于串行數據傳輸的雙向引腳，采用開漏驅動，可與其他開漏或開集電極設備連接，需在SDA/IO和$VCC$之間連接外部上拉電阻，電阻值和SDA/IO總線的系統電容會影響SDA/IO的上升時間，進而決定讀操作的最大頻率。

四、電氣特性

（一）絕對最大額定值

• 工作溫度：?40°C到 + 85°C
• 存儲溫度：?65°C到 + 150°C
• 引腳電壓：相對于地，任何引腳的電壓范圍為? 0.7V到$V_{CC}$ + 0.7V
• 最大工作電壓：4.0V
• 直流輸出電流：5.0mA

（二）直流特性

在推薦的工作范圍內（$V{CC}$ = + 2.7到3.6V，$T{AC}$ = - 40°C到 + 85°C），對電源電壓、電流、輸入輸出電壓和電流等參數都有相應的規定，例如電源電流在不同讀寫模式下最大為5mA，待機電流最大為100μA等。

（三）交流特性

在推薦的工作范圍內（$V{CC}$ = + 2.7到3.6V，$T{AC}$ = - 40°C到 + 85°C，$C_{L}$ = 30 pF），規定了異步和同步時鐘頻率、時鐘占空比、上升和下降時間、數據有效時間等參數，如異步時鐘頻率范圍為1 - 4MHz，同步時鐘頻率范圍為0 - 1MHz等。

五、設備操作

（一）同步協議操作

1. 時鐘和數據轉換：SDA引腳通常通過外部設備上拉，數據只能在SCL低電平時改變，SCL高電平時數據變化表示起始或停止條件。
2. 起始條件：SCL高電平期間，SDA由高到低的轉換定義為起始條件，所有命令前都必須有起始條件。
3. 停止條件：SCL高電平期間，SDA由低到高的轉換定義為停止條件，讀序列后，停止條件會使EEPROM進入待機電源模式。
4. 應答：所有地址和數據字以8位字的形式串行傳輸到EEPROM和從EEPROM傳輸出來，EEPROM在第九個時鐘周期發送零來確認已接收每個字。
5. 內存復位：通信中斷后，可通過“應答輪詢”恢復，即發送起始條件和有效的CryptoMemory命令字節，判斷設備是否應答。

（二）通信安全模式

設備與主機之間的通信有三種基本模式：標準模式（上電后默認模式）、認證模式（成功認證序列激活）和加密模式（成功認證后成功激活加密激活），不同模式下對配置數據、用戶數據、密碼的處理和數據完整性檢查方式不同。

六、安全選項

（一）防撕裂功能

寫周期中電源丟失時，設備存儲數據的完整性可恢復。該功能可選，激活時寫命令執行時間會變長，每次寫請求數據最大為8字節。數據先寫入EEPROM的緩沖區，再寫入目標地址，若第二次寫周期因電源丟失中斷，設備下次上電時會自動從系統緩沖區恢復數據。使用該功能上電時，主機需進行ACK輪詢。

（二）寫鎖定

用戶區域配置為寫鎖定模式時，8字節頁的最低地址字節構成該頁字節的寫訪問字節。寫鎖定字節本身可通過將其最低有效位寫為“0”來鎖定，且寫鎖定模式激活后，寫鎖定字節只能編程，寫入“0”的位不能恢復為“1”。寫操作每次只能寫一個字節。

（三）密碼驗證

密碼可用于保護任何用戶區域的讀寫訪問，有效密碼呈現后，在電源關閉、新密碼呈現或RST激活前一直有效。有八組密碼可用于保護用戶區域，一次只能有一個密碼有效。正確的寫密碼也授予讀訪問權限。

（四）認證協議

用戶區域的訪問可通過認證協議保護，可選擇四個密鑰之一用于用戶區域，認證成功在芯片通電期間有效，除非重新初始化認證或RST激活。若新認證請求未驗證，卡將失去之前的認證，需重新認證才能訪問。

（五）加密消息認證碼

在標準、認證或加密操作模式下實現數據有效性檢查功能。標準模式通過修改檢測碼（MDC）檢查，認證和加密模式通過消息認證碼（MAC）進行更強大的雙向數據完整性檢查和數據來源認證。只有進行有效認證的主機/設備才能計算有效MAC。

（六）加密

讀寫和驗證密碼命令期間，設備與主機之間交換的數據可加密以確保數據機密性。發行商可在配置內存中設置用戶區域需要加密，可選擇四個密鑰之一，此時需激活加密模式才能讀寫該區域數據，且只傳輸加密數據。即使未要求，主機也可在知道正確密鑰的情況下選擇激活加密。

（七）管理員模式

啟用此功能后，持有特定密碼的用戶可完全訪問所有八組密碼，包括更改密碼的能力。

（八）禁止修改

受此功能保護的用戶區域任何時候都不允許寫訪問，該區域必須在設備個性化期間、熔斷安全保險絲之前寫入數據。

（九）僅編程

受此功能保護的用戶區域，數據只能編程（位從“1”變為“0”），不能擦除（位從“0”變為“1”）。

七、協議選擇

（一）智能卡應用

使用ISO 7816 - B協議的異步T = 0模式，以與行業標準智能卡讀卡器兼容和互操作。

（二）嵌入式應用

采用2線串行接口，與其他邏輯設備或微控制器實現快速高效的連接。上電序列決定本次電源周期內使用的通信協議，協議選擇僅在上電時允許。

（三）同步2線串行接口

上電后默認模式，由于RST內部上拉。上電$VCC$時，RST也變高，$VCC$穩定后可驅動SCL(CLK)和SDA(I/O)。選擇同步模式后，不關閉設備電源無法切換到異步模式。

（四）異步T = 0協議

上電序列符合ISO 7816 - 3智能卡應用的冷復位要求，$V_{CC}$變高，RST、I/O (SDA)和CLK (SCL)為低，設置I/O (SDA)為接收模式，為CLK (SCL)提供時鐘信號，400個時鐘周期后RST變高，設備會響應64位ATR代碼。選擇異步模式后，不關閉設備電源無法切換到同步模式。

八、初始設備編程

啟用CryptoMemory的安全功能需要預先進行個性化設置，包括按區域設置所需的訪問權限、密碼和密鑰值，使用簡單的讀寫命令將這些值編程到配置內存中并驗證，然后熔斷保險絲將信息鎖定。訪問配置內存需要成功提供安全（或傳輸）代碼，AT88SC0104CA設備的初始安全（傳輸）代碼簽名為$DD 42 97，與寫七個密碼相同，用戶成功提供后可隨時更改安全代碼簽名。

九、訂購信息與封裝

（一）訂購信息

提供多種訂購代碼，涵蓋不同的封裝形式（如模塊、PDIP、SOIC、TSSOP、Ultra Thin Mini - MAP等）、溫度范圍（商業溫度和工業溫度）和包裝形式（如散裝、卷帶包裝等），以滿足不同用戶的需求。

（二）封裝信息

詳細介紹了不同訂購代碼對應的封裝尺寸、形狀、厚度、間距等信息，并給出了部分封裝的引腳標記信息和尺寸圖，方便工程師進行設計和布局。

十、總結

Atmel AT88SC0104CA CryptoMemory芯片憑借其豐富的功能、高安全性和良好的兼容性，在智能卡和嵌入式應用領域具有廣闊的應用前景。電子工程師在設計安全存儲系統時，可以充分利用該芯片的特性，為系統提供可靠的安全保障。大家在實際使用過程中，有沒有遇到過一些與該芯片相關的有趣問題或者獨特的應用場景呢？歡迎在評論區分享交流。