Atmel CryptoCompanion?芯片：安全加密的理想之選

在當今數(shù)字化時代，數(shù)據(jù)安全和加密技術變得尤為重要。Atmel公司的CryptoCompanion?芯片為我們提供了一個強大的解決方案，它主要作為CryptoRF?和CryptoMemory?芯片的配套芯片，能夠實現(xiàn)主機算法的安全執(zhí)行、主機密鑰的安全存儲以及主機固件摘要的驗證等功能。下面，我們就來詳細了解一下這款芯片。

文件下載：AT88SC018-SU-CM-T.pdf

芯片特性

高安全特性

CryptoCompanion芯片在硬件層面具備諸多高安全特性。它采用了CryptoMemory和CryptoRF F2算法以及SHA - 1標準加密算法，支持64位相互認證協(xié)議。芯片擁有永久編碼的序列號，還有高質量的隨機數(shù)生成器（RNG），可以為加密操作提供可靠的隨機數(shù)。在存儲方面，芯片的內存上有金屬屏蔽層，非易失性內存采用數(shù)據(jù)加擾技術，能有效防止數(shù)據(jù)被竊取。同時，芯片還具備延遲懲罰機制，可防止系統(tǒng)性攻擊，以及復位鎖定功能，防止非法電源循環(huán)。另外，芯片還有電壓和頻率監(jiān)測功能，確保芯片在穩(wěn)定的電氣環(huán)境下工作。

主機端加密功能

芯片具備豐富的主機端加密功能，包括認證挑戰(zhàn)生成、設備挑戰(zhàn)響應、消息認證碼（MAC）生成、數(shù)據(jù)加密和解密以及安全認證密鑰管理等。這些功能使得芯片能夠在主機與外部設備之間建立安全可靠的通信連接。

安全存儲和密鑰管理

芯片提供了高達16組64位的多樣化主機密鑰和八組24位的密碼，支持安全和自定義的個性化設置。此外，還有一個高達232字節(jié)的可讀寫用戶數(shù)據(jù)區(qū)域，方便用戶存儲和管理自己的數(shù)據(jù)。

非易失性向上計數(shù)器

芯片包含四組單向計數(shù)器，每個計數(shù)器的最大計數(shù)可達640萬次。這些計數(shù)器可以用于記錄某些事件的發(fā)生次數(shù)，為系統(tǒng)提供更多的信息和控制手段。

應用特性

芯片采用低電壓供電，電壓范圍為2.7V - 3.6V，具有2線串行接口（TWI，5V兼容），方便與其他設備進行通信。它采用標準的8引腳SOIC塑料封裝，符合環(huán)保標準（超過RoHS）。

高可靠性

芯片具有出色的可靠性，其耐久性可達100,000個周期，數(shù)據(jù)保留時間長達10年。同時，芯片的ESD保護能力至少為3000V（HBM），能夠有效防止靜電對芯片造成損壞。

工作原理

一般操作

CryptoRF芯片包含一些秘密信息，主機系統(tǒng)需要知道或推導出這些信息，才能與CryptoRF芯片建立信任鏈接并進行通信。CryptoCompanion芯片將這些秘密信息以隱蔽的方式存儲在非易失性內存中，并包含執(zhí)行認證、密碼和加密/解密功能所需的所有電路。每個CryptoRF芯片都有一個序列號（ID）和認證密鑰(G{i})存儲在EEPROM中，ID可以自由讀取，而(G{i})則無法讀取且對于所有標簽都是唯一的。CryptoCompanion芯片包含一個EEPROM，其中存儲了一組公共密鑰(F{n})。CryptoCompanion芯片將(F{n})與ID和(KID)相結合，計算出一個預期與CryptoRF芯片中的(G{i})相匹配的值(G)，即(G = SHA - 1(F{n}, ID, KID))。此外，(KID)是由主機系統(tǒng)以自己選擇的方式生成的一個數(shù)字，它可以進一步增強安全性。

認證過程

CryptoCompanion芯片包含一個通用的加密質量隨機數(shù)生成器，用于啟動與CryptoRF芯片之間的相互認證過程。如果CryptoRF芯片確認了CryptoCompanion芯片的挑戰(zhàn)，并且CryptoCompanion芯片確認了CryptoRF芯片的響應，那么主機系統(tǒng)就可以繼續(xù)與CryptoRF芯片進行操作。這樣，主機系統(tǒng)就可以在不直接知道CryptoRF芯片秘密的情況下使用它。

芯片優(yōu)勢

與將算法和秘密存儲在標準閃存系統(tǒng)內存中相比，使用CryptoCompanion芯片具有以下優(yōu)勢：

• 保密核心密鑰：將用于與CryptoRF芯片進行認證和通信的核心密鑰存儲在EEPROM中，并在芯片上使用，確保密鑰的安全性。
• 靈活的系統(tǒng)實現(xiàn)：支持多個密鑰和策略，適用于系統(tǒng)內不同位置的CryptoRF芯片。擁有多種制造商設置選項，滿足不同的應用需求。
• 硬件加密引擎：避免了通過反向編譯系統(tǒng)操作代碼來泄露算法，提高了加密算法的安全性。
• 全面的硬件安全實現(xiàn)：使得攻擊者（即使使用實驗室設備）也難以獲取存儲在CryptoCompanion芯片上的秘密信息。
• 強大的安全保護：使用強大的安全標準算法（SHA - 1）保護全局密鑰。
• 可靠的隨機數(shù)生成：避免了所有加密操作中的意外重放問題，不僅僅是針對CryptoRF芯片的操作。
• 安全的EEPROM存儲：用于存儲配置信息等，可能有助于減少系統(tǒng)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(xié)議，能夠快速推向市場。

封裝、引腳定義與IO

引腳定義

• (V_{CC})、Gnd：電源電壓范圍為2.7 - 3.6V，供電電流小于5mA。在(V{CC})上升到2.7V或復位信號被拉高后60ms，CryptoCompanion芯片可以接受命令。在電源上電時，(V{CC})必須以至少50mV/mS的速率單調上升，直到超過2.7V；在電源下電時，(V{CC})在下降到2.5V以下后，必須以至少50mV/mS的速率單調下降。芯片不支持熱插拔。(V{CC})必須使用高質量的表面貼裝電容器進行旁路，推薦使用兩個并聯(lián)的1μF和0.01μF的電容器，采用X5R或X7R電介質材料，電容器與芯片(V{CC})引腳之間的PCB走線總長度不超過1cm，推薦使用接地平面，且電容器與(V{CC})引腳之間的走線長度小于0.5cm。
• SDA：兩線接口數(shù)據(jù)引腳，5V兼容。最小數(shù)據(jù)建立時間為0.1μs，最小數(shù)據(jù)保持時間為0μs。系統(tǒng)板必須包含一個外部上拉電阻。
• SCL：兩線接口時鐘引腳，5V兼容。最大SCL速率為400KHz，最小(T{LOW}=1.2μs)，最小(T{HIGH}=0.6μs)。系統(tǒng)板必須包含一個外部上拉電阻。
• Reset（RST）：這是一個低電平有效輸入，用于復位CryptoCompanion芯片內的所有狀態(tài)，無論芯片處于何種電源狀態(tài)都有效。
• PowerDown（PDN）：當該引腳為低電平時，芯片正常工作；當該引腳為高電平時，芯片進入睡眠狀態(tài)，忽略SDA和SCL上的所有轉換，功耗將降至小于10μA。該引腳電平下降后，芯片接受SDA或SCL上的第一次轉換有50ms的延遲。

封裝

引腳2和6內部未連接，應在PC板上連接到地。

連接圖

芯片的連接圖展示了其與微處理器的連接方式，通過SDA和SCL實現(xiàn)通信。

環(huán)境條件

CryptoCompanion芯片保證在-40°C至85°C的工業(yè)溫度范圍內正常工作，ESD防護等級為3KV（人體模型）。

TWI輸入/輸出操作

CryptoCompanion芯片使用兩線接口（TWI）與系統(tǒng)進行通信，類似于SMBus。芯片作為從設備，不支持時鐘拉伸。該兩線協(xié)議與Atmel AT24C16B串行EEPROM芯片支持的協(xié)議相同，詳細的時序和協(xié)議信息可參考Atmel網站上的該芯片數(shù)據(jù)手冊。系統(tǒng)處理器需要為CryptoCompanion芯片正確格式化命令，并處理其輸出。CryptoCompanion芯片不能直接與CryptoRF芯片通信，兩者都是從設備，總線主設備可以使用一條或兩條總線與它們進行通信。如果兩個芯片在同一條總線上，必須使用不同的TWI地址。

內存鎖定

芯片出廠時，Lock[1:0]的值根據(jù)訂購的零件編號可能為10或00，處于這兩種狀態(tài)的AT88SC018被認為是“未鎖定”的，且不能從一種未鎖定狀態(tài)更改為另一種。執(zhí)行鎖定命令后，鎖定字節(jié)的值將變?yōu)?xFF，后續(xù)無法再更改。

電氣特性

DC特性

在(V{CC}= + 2.7)至3.6V，(T{AC}=-40^{circ}C)至85°C的推薦工作范圍內（除非另有說明），芯片的直流特性包括電源電壓、供電電流、待機電流、輸入電壓和電流、輸出電壓等參數(shù)。

AC特性

在(V{CC}= + 2.7)至3.6V，(T{AC}=-40^{circ}C)至85°C，(CL = 30pF)的推薦工作范圍內（除非另有說明），芯片的交流特性包括時鐘頻率、時鐘占空比、上升時間、下降時間、時鐘低電平到數(shù)據(jù)輸出有效時間、啟動保持時間、啟動建立時間、數(shù)據(jù)輸入保持時間、數(shù)據(jù)輸入建立時間、停止建立時間和數(shù)據(jù)輸出保持時間等參數(shù)。

訂購代碼

芯片提供了不同的訂購代碼，以滿足不同的需求，包括不同的封裝形式、電壓范圍、內存鎖定狀態(tài)和溫度范圍等。

封裝尺寸

芯片采用8S1封裝，文檔中提供了詳細的封裝尺寸圖和相關尺寸參數(shù)，同時提醒參考JEDEC Drawing MS - 012, Varation AA獲取正確的尺寸、公差和基準等信息。

總結

Atmel的CryptoCompanion?芯片為電子工程師提供了一個安全、可靠且易于使用的加密解決方案。它在硬件層面具備高安全特性，支持多種加密功能和密鑰管理，適用于各種對數(shù)據(jù)安全有較高要求的應用場景。在設計過程中，工程師需要根據(jù)芯片的電氣特性和引腳定義進行合理的電路設計，確保芯片能夠正常工作。同時，芯片的內存鎖定功能可以幫助工程師更好地保護數(shù)據(jù)安全。你在實際應用中是否使用過類似的加密芯片呢？在使用過程中遇到過哪些問題？歡迎在評論區(qū)分享你的經驗和看法。