Atmel AT88SC118 CryptoCompanion 設備深度解析
Atmel AT88SC118 CryptoCompanion 設備深度解析
在電子設備日益智能化和網絡化的今天，數據安全成為了至關重要的問題。Atmel 的 AT88SC118 CryptoCompanion 設備作為一款專注于安全加密的芯片，為我們提供了強大的安全保障。今天，我們就來深入了解一下這款設備。
文件下載：AT88SC118-SH-CN.pdf
一、產品概述
AT88SC118 CryptoCompanion 是 Atmel CryptoRF（CRF）和 Atmel CryptoMemory（CM）設備的配套產品。它廣泛使用了 SHA - 1 哈希算法，在建立主機系統與 CRF 設備之間的信任鏈接方面發揮著重要作用。
1. 一般操作
CRF 設備包含一些秘密信息，主機系統需要知道或推導這些信息才能與 CRF 設備建立信任鏈接并進行通信。CryptoCompanion 以隱蔽的方式將這些秘密存儲在非易失性存儲器中，并包含執行認證、密碼和加密/解密功能所需的所有電路，從而避免了秘密信息的泄露。
具體來說，每個 CRF 設備都有一個序列號（ID）和認證密鑰 (G{i}) 存儲在 EEPROM 中，其中 ID 可以自由讀取，而 (G{i}) 無法讀取且每個標簽都是唯一的。CryptoCompanion 包含一組公共密鑰 ((F{n}))，它將 (F{n}) 與 ID 和 (K{ID}) 結合起來計算出一個值 (G)，期望該值與 CRF 設備中的 (G{i}) 相匹配，即 (G = SHA - 1(F{n}, ID, K{ID}))。此外，主機系統還可以通過選擇生成一個數字 ((K_{ID})) 來進一步多樣化 (G) 的值，從而提供不同程度的額外安全保障。
CryptoCompanion 還包含一個通用的加密質量隨機數生成器，用于啟動與 CRF 之間的相互認證過程。如果 CRF 確認了 CryptoCompanion 的挑戰，并且 CryptoCompanion 確認了 CRF 的響應，那么主機系統就可以繼續與 CRF 進行操作，而無需直接知道 CRF 的秘密信息。
2. CryptoCompanion 的優勢
與將算法和秘密存儲在標準閃存系統內存中相比，使用 CryptoCompanion 具有以下優勢：
- 保密核心秘密：將用于與 CRF 進行認證和通信的核心秘密存儲在 EEPROM 中，并在芯片上使用，確保了秘密的安全性。
- 靈活的系統實現：支持多個秘密和策略，適用于系統中不同位置的 CRF 設備，同時提供多種制造商設置選項。
- 硬件加密引擎：避免了從系統操作代碼的反向編譯中泄露算法，提高了安全性。
- 全面的硬件安全實現：即使攻擊者擁有實驗室設備，也很難獲取存儲在 CryptoCompanion 上的秘密信息。
- 強大的安全保護：使用強大的安全標準算法（SHA - 1）保護全局秘密。
- 抗復制算法：實現了一種壓縮算法，防止基于微控制器的 CRF 復制品。
- 可靠的隨機數生成：避免了所有加密操作中的意外重放，不僅限于與 CRF 的操作。
- 安全的 EEPROM 存儲：可用于存儲配置信息等，有助于減少系統的總物料清單（BOM）。
- 易于使用：幾乎不需要編程，無需了解安全算法或協議，能夠快速推向市場。
3. 封裝、引腳和 I/O
引腳描述
| 引腳 | 描述 |
|---|---|
| VCC 和 GND | 電源和接地。電源電壓為 2.7 - 3.6V，供電電流小于 5mA。CryptoCompanion 在 VCC 上升到 2.7V 或復位信號拉高后 60ms 可接受命令。在電源上升期間，VCC 必須以至少 50mV/ms 的速率單調上升，直到超過 2.7V；在電源下降期間，VCC 下降到 2.5V 以下后，必須以至少 50mV/ms 的速率單調下降。不支持熱插拔，VCC 必須使用高質量的表面貼裝電容進行旁路，推薦使用兩個并聯的 1μF 和 0.01μF 電容，電容應使用 X5R 或 X7R 介電材料，電容與 AT88SC118 之間的 PCB 走線總長度不超過 1cm，推薦使用接地平面，電容與 VCC 引腳之間的走線長度小于 0.5cm。 |
| SDA | 2 - 線接口數據引腳，5V 兼容。數據建立時間最小為 0.1μs，數據保持時間最小為 0μs，系統板必須包含外部上拉電阻。 |
| SCL | 2 - 線接口時鐘引腳，5V 兼容。最大 SCL 速率為 400KHz，最小 TLOW 為 1.2μs，最小 THIGH 為 0.6μs，系統板必須包含外部上拉電阻。 |
| RST | 復位引腳，低電平有效，可復位 AT88SC118 內的所有狀態，無論掉電狀態如何都有效。 |
| PDN | 掉電引腳。低電平時，器件正常工作；高電平時，器件進入睡眠狀態，忽略 SDA 和 SCL 上的所有轉換，功耗降至小于 10μA。該引腳電平下降后，到器件接受 SDA 或 SCL 上的第一個轉換之間有 50ms 的延遲。 |
封裝
| CryptoCompanion 采用 8 引腳 SOIC 封裝，引腳排列如下： | 引腳編號 | 引腳名稱 |
|---|---|---|
| 1 | PDN | |
| 2 | RST | |
| 3 和 7 | NC | |
| 4 | GND | |
| 5 | SDA | |
| 6 | SCL | |
| 8 | VCC |
需要注意的是，引腳 3 和 7 內部未連接，應在 PCB 板上接地。
連接圖
其連接圖展示了與微處理器的連接方式，電源電壓范圍為 2.7V - 5.5V，CryptoCompanion 的電源電壓為 2.7V - 3.6V。
TWI 輸入/輸出操作
CryptoCompanion 使用 2 - 線接口（TWI）與系統通信，類似于 SMBus?。該設備作為從設備運行，不支持時鐘拉伸。此 2 - 線協議與 Atmel AT24C16B 串行 EEPROM 設備支持的協議相同，詳細的時序和協議信息可參考 Atmel 網站上的 datasheet。系統處理器需要為 AT88SC118 正確格式化命令，并處理其輸出。CryptoCompanion 不能直接與 CRF 設備通信，CRF 和 CryptoCompanion 都是從設備，總線主設備可以使用一個或兩個總線與它們通信。如果兩個設備在同一總線上，必須使用不同的 TWI 地址。
4. 內存鎖定
初始化完成后，應執行鎖定命令，以根據本節后面列出的限制來限制對內存的訪問。系統可以使用 ReadManufacturingID 命令讀取制造 ID 值（MfrID）和鎖定字節來確定當前的鎖定值。
| 鎖定位 1 | 鎖定位 0（LSB） | 含義 |
|---|---|---|
| 1 | 1 | 鎖定。允許 ReadMemory 和 WriteMemory 操作，但受本節限制；禁用 WriteMemoryEncrypted 和 ReadMemoryDigest 操作。 |
| 1 | 0 | 未鎖定/機密。允許 ReadMemoryDigest、WriteMemory 和 WriteMemoryEncrypted 操作；禁用 ReadMemory 操作。 |
| 0 | 0 | 未鎖定。允許 ReadMemory 和 WriteMemory 操作；禁用 WriteMemoryEncrypted 和 ReadMemoryDigest 操作。 |
從 Atmel 發貨時，Lock[1:0] 的值將根據訂購的零件編號為 10 或 00，處于這兩種狀態的 Atmel AT88SC118 被視為未鎖定，且不能從一種未鎖定狀態更改為另一種。執行鎖定命令后，鎖定字節的值將變為 0xFF，此后無法再更改鎖定字節。
二、AC 和 DC 特性
1. DC 特性
| 在推薦的工作范圍內（(V{CC}= + 2.7) 至 3.6V，(T{AC}=-40^{circ}C) 至 85°C），該設備具有以下直流特性： | 符號 | 參數 | 測試條件 | 最小值 | 典型值 | 最大值 | 單位 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| VCC | 電源電壓 | 2.7 | 3.6 | V | |||
| ICC | 電源電流 | 400kHz | 5 | mA | |||
| ISB | 待機電流 | VIN = VCC 或 GND | 15 | μA | |||
| VIL | SDA 輸入低電壓 | -0.3 | VCC x 0.3 | V | |||
| VIL | CLK 輸入低電壓 | -0.3 | VCC x 0.3 | V | |||
| VIL | RST 輸入低電壓 | -0.3 | VCC x 0.3 | V | |||
| VIL | PDN 輸入低電壓 | -0.3 | VCC x 0.3 | V | |||
| VIH | SDA 輸入高電壓 | VCC x 0.7 | 5.25 | V | |||
| VIH | SCL 輸入高電壓 | VCC x 0.7 | 5.25 | V | |||
| VIH | RST 輸入高電壓 | VCC x 0.7 | 5.25 | V | |||
| VIH | PDN 輸入高電壓 | VCC x 0.7 | 5.25 | V | |||
| IIL | SDA 輸入低電流 | 0 < VIL < VCC x 0.15 | -10 | 10 | μA | ||
| IIL | SCL 輸入低電流 | 0 < VIL < VCC x 0.15 | -10 | 10 | μA | ||
| IIL | RST 輸入低電流 | 0 < VIL < VCC x 0.15 | -10 | 10 | μA | ||
| IIL | PDN 輸入低電流 | 0 < VIL < VCC x 0.15 | -10 | 10 | μA | ||
| IIH | SDA 輸入高電流 | VCC x 0.7 < VIH < VCC | -10 | 10 | μA | ||
| IIH | SCL 輸入高電流 | VCC x 0.7 < VIH < VCC | -10 | 10 | μA | ||
| IIH | RST 輸入高電流 | VCC x 0.7 < VIH < VCC | -10 | 10 | μA | ||
| IIH | PDN 輸入高電流 | VCC x 0.7 < VIH < VCC | -10 | 10 | μA | ||
| VOH | SDA 輸出高電壓 | 20k Ohm 外部上拉 | VCC x 0.8 | V | |||
| VOL | SDA 輸出低電壓 | IOL = 1mA，Vcc = 2.7V | 0.4 | V |
需要注意的是，典型值是在 25°C 下測量的，最大值是特性值，不是生產測試極限。
2. AC 特性
| 在推薦的工作范圍內（(V{CC}= + 2.7) 至 3.6V，(T{AC}=-40^{circ}C) 至 85°C，(CL = 30pF)），該設備的交流特性如下： | 符號 | 參數 | 最小值 | 最大值 | 單位 |
|---|---|---|---|---|---|
| fCLK | 時鐘頻率 | 0 | 400 | kHz | |
| 時鐘占空比 | 40 | 60 | % | ||
| tR | 上升時間：SDA、RST、PDN | 300 | nS | ||
| tF | 下降時間：SDA、RST、PDN | 300 | nS | ||
| tR | 上升時間：SCL | 300 | nS | ||
| tF | 下降時間：SCL | 300 | nS | ||
| tAA | 時鐘低電平到數據輸出有效 | 900 | nS | ||
| tHD.STA | 起始保持時間 | 600 | nS | ||
| tSU.STA | 起始建立時間 | 600 | nS | ||
| tHD.DAT | 數據輸入保持時間 | 100 | nS | ||
| tSU.DAT | 數據輸入建立時間 | 100 | nS | ||
| tSU.STO | 停止建立時間 | 600 | nS | ||
| tDH | 數據輸出保持時間 | 50 | 900 | nS |
同樣，典型值是在 25°C 下測量的，最大值是特性值，不是生產測試極限。部分參數未進行測試，其值基于特性和/或仿真數據。
三、訂購代碼
| 訂購代碼 | 包裝形式 | 內存鎖定 | 封裝 | 電壓范圍 | 溫度范圍 |
|---|---|---|---|---|---|
| AT88SC118 - SH - CM | 散裝 | 00（未鎖定） | 8S1 | 2.7V – 3.6V | 綠色合規（超過 RoHS）工業級（-40°C 至 85°C） |
| AT88SC118 - SH - CM - T | 卷帶包裝 | ||||
| AT88SC118 - SH - CN | 散裝 | 10（未鎖定/機密） | |||
| AT88SC118 - SH - CN - T | 卷帶包裝 |
其中，8S1 封裝為 8 引腳、0.150" 寬、塑料鷗翼小外形（JEDEC SOIC）。
四、封裝圖紙
文檔提供了 8S1 - 8 引腳 JEDEC SOIC 封裝的圖紙，包含了頂部視圖、側面視圖和端部視圖，并給出了各尺寸的最小、標稱和最大值。具體尺寸信息可參考文檔中的表格。
五、修訂歷史
該文檔于 2013 年 4 月首次發布，版本號為 8858AS。
Atmel AT88SC118 CryptoCompanion 設備憑借其強大的安全功能、靈活的系統實現和良好的電氣特性，為電子設備的安全通信提供了可靠的解決方案。在實際應用中，電子工程師們需要根據具體的需求和場景，合理選擇和使用該設備，以確保系統的安全性和穩定性。大家在使用過程中有沒有遇到過什么問題呢？歡迎在評論區分享交流。
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