基于通用接口芯片CH365的財稅安全卡設計

目前中國國內“金稅工程”經過幾年的推廣實施，在全國范圍內己取得了巨大的經濟效益和社會效益，在金稅工程中，最重要的是對于開票系統數據的保護，為了防止開票系統受病毒感染或被人為地破壞，絕大部分的單位都被要求專機專用，從而來確保系統的安全和穩定。

???? 但隨著“金稅工程”的深入推廣，也暴露出了一些急待解決的問題∶首先，由于國稅局對于企業的防偽稅控開票系統有“專機專用”的要求，致使企業花費一萬多元購買的防偽稅控設備及計算機只能用于開具增值稅發票巨大的資源浪費；其次，隨著電子報稅、出口退稅等科技手段在企業中的應用以及企業財務管理的電子化，都必須依賴計算機處理，這必然會造成企業還需再投資一臺電腦給財務人員來處理這方面的工作，這對企業來說，是一種重復的投資；最后，防偽稅控的系統和數據，財務軟件和數據以及電子報稅系統和數據等都屬于企業的重要資料，如何保證其安全性，使其不會因為財務人員的誤操作、病毒等因素造成系統的崩潰，甚至重要數據資料的丟失，而影響企業的正常工作。

財稅安全卡的硬件實現

???? 財稅安全卡的工作過程和工作原理是：利用PCI總線的擴展ROM機制，在安全卡上嵌入擴展程序，通過CH365的本地8位總線，接管并擴展BIOS的INT13H中斷，實時監控系統的讀寫操作，根據設置進行過濾，確保讀寫操作的安全性，實現硬盤隔離和一機多用。相關硬盤系統引導分區等信息可以通過CH365的兩線串行主機接口保存在EEPROM上，達到動態分隔硬盤空間的目的，將一個硬盤分成相互隔離互不干擾的多個硬盤空間。

圖1：財稅安全卡硬件電路圖。

???? PCI總線協議比較復雜，用戶可以根據具體實際需求選擇相應的開發方式。一般，PCI總線開發采用兩種方式：一是采用CPLD來設計控制接口。它的最大好處是比較靈活，用戶可以根據自己的需要開發出適合于特定功能的芯片，而不必實現PCI的全部功能。現在有許多生產可編程邏輯器件的廠商，如Xilinx的LogiCore和Altera的AMPP都提供經過嚴格測試的PCI接口功能模塊，用戶只要進行組合設計即可。由于PCI總線協議復雜，設計PCI控制接口難度較大，對于產品不大又有時限的工程項目來說，成本巨大。

???? 二是采用通用PCI接口芯片，例如南京沁恒公司的CH365、AMCC公司的AMCCS5920和AMCCS5933，PLX公司的PLX9054和PLX9080等。通過專用芯片可以實現完整的PCI主控模塊和目標模塊的功能，將復雜的PCI總線接口轉換為相對簡單的用戶接口，用戶只要設計轉換后的總線接口即可，它能實現PCI規范所要求的所有硬件接口信號和配置空間寄存器，專用接口芯片具有較低的成本和通用性，能夠有效降低接口設計的難度，縮短開發時間,并能獲得較好的數據傳輸性能。

???? 第二種方法適合于小規模的情況，能夠有效縮短開發時間以及成本投入，因此在設計財稅安全卡上選擇CH365 PCI接口芯片。CH365是一個連接PCI總線的通用接口芯片，支持I/O端口映射、存儲器映射、擴展ROM以及中斷。實現將基于32位PCI總線的從設備接口轉換為主動并行接口：8位數據、16位地址、I/O讀和寫、存儲器讀和寫。支持低電平有效的本地中斷請求，支持中斷共享。支持長度達240字節的I/O端口。支持本地硬件定址功能，自由選擇I/O地址，并在指定地址實現I/O端口。基于CH365的財稅安全卡硬件電路圖如圖1。

???? 在本設計中，所使用的存儲器是華邦公司的W27C512，64K容量。存儲器容量根據安全卡擴展程序的大小選擇更大的存儲器，如128K等。EEPROM是Atmel公司的AT24C02，支持寫保護功能，能夠有效防止信息被篡改。圖1的財稅安全卡的硬件電路核心器件是PCI接口芯片CH365、W27C512和AT24C02，CH365的部分引腳連線直接與金手指(電路板和插槽之間的連接點)相連。

???? CH365通過MEM_RD與ROM芯片U2(27C512)連接。CH365支持EPROM和閃存，容量為32KB或者64KB，如果將SYS_EX用于A16地址線，則最大容量可達128KB。一般情況下CH365直接支持32KB容量的擴展ROM(即27C256芯片的容量)，但可以在擴展ROM的程序中通過控制A15地址線支持64KB容量的ROM芯片。可選的下拉電阻R1用于CH365的工作模式設定，圖中的數據線D0被連接了下拉電阻，所以系統復位后，地址線A15為低電平，從而選擇U2的低32KB(偏移地址為0000H～7FFFH)，而在需要讀取U2的高32KB時(偏移地址為8000H～0FFFFH)，可以通過寫芯片控制寄存器的位0重新設定A15地址線來訪問ROM的高字節。

圖2：CH365的讀寫時序。

???? 另外，PCI擴展ROM的內容通常被BIOS復制到RAM內存中，所以需要設置CH365的擴展ROM基址以重新映射U2到存儲器空間。

???? CH365通過SYS_EX與EPPROM芯片U3(型號是AT24C02)連接，CH365的SCL信號線可以選用SYS_EX或者A15，系統復位后的默認選擇是A15，通常在A15用作地址線時選用SYS_EX，否則選用A15。因為SDA信號線同時是數據線D7，為了防止在SCL高電平期間由于SDA變化而產生不必要的誤操作，通常借助于工作模式設定使SCL信號線(SYS_EX或A15)在系統復位后保持低電平。CH365的兩線串行接口使用7位設備地址，可以同時連接多個設備。設備地址和命令寄存器的位7至位1為7位設備地址位，用以選擇從設備；位0為命令位，置0代表寫操作，置1代表讀操作。本設計中連接一個設備，通過數據線D7保存相關的硬盤引導分區的信息，同時通過“LOCK”信號可以對設備進行寫保護，防止信息篡改等。CH365的讀寫時序如圖2。

財稅安全卡的擴展程序設計

???? PC機中的擴展ROM相當于一個電子盤，如果在其中寫入引導程序和應用程序，即使計算機沒有硬盤和操作系統，擴展ROM中的引導程序和應用程序也能夠控制計算機實現某些特定的功能。例如，無硬盤PC機用于工業控制，控制外部設備及作業流程等。

???? 財稅安全卡就是應用到PCI總線的擴展ROM，通過特定的擴展引導應用程序，在計算機啟動進入硬盤時有效地接管和控制硬盤引導，以達到動態分隔硬盤空間將一個硬盤分成相互隔離，互不干擾的多個硬盤空間，可以根據用戶需求引導進入相應的系統和使用相應的空間。

???? 擴展引導應用程序主要包括PC引導控制權接管模塊、動態隔離硬盤空間模塊，多系統引導模塊(其中包含I2C讀寫模塊)。通過豐富擴展引導引用程序，可以實現基于BIOS級的系統分區備份、系統數據備份、系統拷貝等功能。

1. PC引導控制權接管的實現

???? 在PC的BIOS自檢中，硬件設備檢測正常通過后，就開始把系統引導控制權即根據用戶指定的啟動順序遞交給軟盤、硬盤或光驅啟動。以從C盤啟動為例，系統BIOS將讀取并執行硬盤上的主引導記錄，主引導記錄接著從分區表中找到第一個活動分區，然后讀取并執行這個活動分區的分區引導記錄，而分區引導記錄將負責讀取并執行IO.SYS，這是DOS和Windows9x最基本的系統文件。

???? 擴展ROM程序首次獲得CPU控制權,修改系統自舉中斷INT19以便在引導操作系統前被初始化，重新編寫新INT19中斷服務程序，使用INT7B中斷向量作為返回地址。

BOOT_ROM_INIT: PUSH DX；保存寄存器

PUSH BX

MOV DH, 80H；位7置1則自動檢測主板的BIOS

MOV DL, 0FFH；指定初始化方式,為0FFH則自動檢測

MOV BX, OFFSET ROM_INT19；指定新INT19程序的偏移地址_ROM_INT19,

CALL INIT_ROM；ROM初始化程序，返回DL為實際使用的初始化方式

POP BX

POP DX

RETF；ROM初始化完成后返回，必須是遠程返回

2. 動態隔離硬盤空間的實現

???? 可以利用硬盤特性“AddressOffsetMode”和“SetMax”來有效地縮小硬盤空間，使得動態隔離硬盤空間，其中通過獲取硬盤I/O端口的基址來設置硬盤最大邏輯塊尋址(LBA)地址。傳統的縮小硬盤空間采用的是隱藏分區，通過修改系統分區表的系統標志位達到隱藏分區效果，此方法安全性低，不能有效地隔離硬盤，在財稅安全方面達不到安全性能要求。

3. 多系統引導模塊的實現

???? 多系統引導根據用戶選擇啟動相應的系統，去選擇相應的引導程序，這里有別于計算機多重引導啟動(邏輯隔離)原有的系統引導程序，它是簡單的單分區單系統啟動模式，即固定讀入硬盤活動分區引導記錄以實現對系統的引導，而活動分區是相對固定的。重寫的系統引導程序實現了多分區多系統啟動模式，可以將硬盤任一分區視作活動分區，讀入該分區引導記錄以引導系統，本設計中采用的是通過加載多重引導信息扇區，檢驗數據的有效性，在加載過程中動態設置硬盤分區信息。