如何防止器件“磚頭化”，只發出警告就夠了嗎？

　　“系統正在更新，請勿關閉電源。”我們都看到過這個警告，它通常在電子器件要在閃存安裝代碼更新時出現。如果更新被中斷，閃存將無法正確更新，代碼將會損壞，而器件無法運行，即“磚頭化” （bricked）。這種大家熟悉的警告存在的原因，是因為使用閃存的大多數半導體器件在編程或擦除操作期間需要一直供電。顯然，防止器件“磚頭化”是非常重要的。但是，只發出警告就夠了嗎？有些嵌入式器件甚至都沒有用戶顯示器，因此無法產生警告。在設計中如何才能確保可靠且安全的遠程系統更新呢？

　　嵌入式系統遠程升級的重要性

　　遠程升級對連接的嵌入式系統日益重要。通過互聯網遠程修復漏洞或增加新特性，可以節省大量的維護費用；當部署數千個嵌入式系統時，維護便是一個大問題了。隨著嵌入式系統安全問題的不斷增加，通過遠程安全定向代碼升級來修復潛在安全漏洞變得愈發重要。顯然，升級必須安全地完成，否則，攻擊算法便很容易利用不安全的更新來破壞系統。下面是一個典型系統的示例，有助于更好地了解安全可靠的遠程升級設施的要求。

　　系統示例——控制平面橋

　　通信或網絡機箱內的控制平面橋（Control Plane Bridge），是需要遠程更新的常見系統示例。這種子系統匯集了許多低速外設，比如模擬傳感器、電源管理模塊、風扇、故障記錄存儲器和利用I2C、SPI和GPIO接口的狀態輸出。然后，可以采用速度更快的總線——可能是通信和連網機箱內很常見的子系統接口PCIe，與低速外設直接通信。這種機箱控制子系統能夠實施智能匯聚功能，當規定啟動點被激活，例如到達最高溫度或最低電壓水平時，便會“推進”通信。圖1所示就是這樣一個系統，它是用配備片上微控制器的FPGA （通常稱為SoC FPGA） 實現的。

　　圖1 經PCIe遠程升級的機箱控制平面橋

　　FPGA和閃存

　　在上面的例子中，遠程更新經由PCIe總線實現，但并未對編程期間可能出現的斷電進行保護。讓我們看看常見的FPGA實施類型，從而更好地防范閃存遠程更新過程中突然斷電時可能出現的重大故障。

　　幾乎每個基于FPGA的系統都需要采用某種形式的非易失性存儲器來儲存配置存儲。一般說來，配置存儲器位于芯片外或芯片上。基于SRAM的FPGA需要外部閃存，用于上電時的配置。基于閃存的FPGA可以使用嵌在FPGA結構（結構嵌入閃存FPGA）內的配置存儲器，或使用基于SRAM的結構，但將一個閃存塊放在芯片上（側面閃存FPGA）。

　　基于SRAM的FPGA通常使用NOR SPI閃存，因為它消耗的引腳數最少，幾家供應商有同樣的引腳輸出，而且密度高達1 Gb。目前的NOR SPI閃存器件擁有32位地址選擇，可擴展成為4GB器件，而且不需要改變指令和控制協議。當這種SPI閃存處于程序或擦除模式 （電荷泵啟動） 且電力消失時，會發生什么事情呢？電荷在哪里消失？是否有電路檢測到這些閃存的電力故障并將電荷安全地引導到地面？一般說來，正被寫入的頁面將出現數據損壞。

　　圖2 三種FPGA配置圖：帶外部配置閃存的基于SRAM的FPGA、側面閃存FPGA和嵌入閃存FPGA

　　側面閃存FPGA系統采用較寬的片上數據總線在上電時載入基于SRAM的配置存儲。通常，這種方法載入配置比基于SRAM的FPGA要快，因為后者是采用外部閃存來配置器件的。但是，這種方法存在程序或擦除周期期間功率損失的問題。電荷去了哪里？閃存是否被破壞？是否僅寫入頁面被破壞？整個閃存都存在風險？FPGA是否能夠檢測被破壞的片上存儲器，或者，在上電期間，被破壞的數據是否被載入到配置存儲器內？

　　閃存的破壞是個問題，如何確保遠程數據的安全也非常重要。當嵌入式產品可由終端用戶訪問時，就存在被篡改的可能。為了防止攻擊，必須同時采用軟件和硬件的安全功能。僅對遠程配置數據文件進行加密遠遠不夠。雖然這種軟件加密安全有用，但是還必須將解密數據的硬件 （FPGA） 置于安全保護內。當用戶訪問嵌入式器件時，加密數據文件很容易被提取。利用價格便宜的電磁探針和進行差分功耗分析 （DPA） 即可實現這一點。采用這種方法提取FPGA安全密匙的例子很多。如果FPGA并未內置DPA對抗措施，則任何遠程更新都存在安全風險。當用戶能夠訪問嵌入式產品時，如果沒有DPA對抗措施，便如同中門大開，沒有安全可言。

　　在嵌入閃存的FPGA中，配置儲存在芯片上，并緊密集成在FPGA結構內。例如，在美高森美SmartFusion2和IGLOO2 flash FPGA上，可經由外部通信端口如USB、PCIe或JTAG等進行編程，整個編程過程由片上專用編程接口管理。此外，SmartFusion2和IGLOO2 FPGA使用了一種稱為“在應用中編程”（IAP）的高級編程機制，即便在編程期間有功率損耗的情況下，仍可提供可靠且安全的編程。讓我們看看如何采用IAP機制來實現目前嵌入式系統需要的可靠遠程升級的能力。

　　在基于FPGA的嵌入式系統中實現可靠且安全的遠程更新

　　嵌入閃存的FPGA可以提供更容易支持安全可靠的遠程更新所需的關鍵功能。例如，SmartFusion2擁有實施關鍵橋接功能及安全和IAP功能需要的所有主流FPGA特點。如圖3所示，低速接口可以采用I2C和GPIO連接。高速主機接口PCIe則作為不需要FPGA結構的專用端口。

　　圖3 SmartFusion2“在應用中編程”（IAP）支持機箱控制平面橋，以實現安全可靠的遠程更新

　　片上處理器可以利用高速存儲子系統（HSMS）訪問大型內部閃存來進行代碼儲存，訪問大型內部SRAM來進行數據緩沖，而專用DDR控制器則在有需要時訪問其它外部存儲器。專用系統控制器提供編程期間使用的安全功能，以及遠程更新期間使用的IAP功能。圖4詳細描述了SmartFusion2 FPGA上可以提供的關鍵功能。

　　圖4 美高森美SmartFusion2 SoC FPGA擁有主流特點及可靠的安全和遠程更新能力

　　利用“在應用中編程”來實現安全可靠的升級

　　SmartFusion2和IGLOO2提供的IAP機制是一種安全可靠地遠程更新配置比特流的方法。IAP在FPGA內由專用系統控制器執行，因此并不需要使用任何FPGA結構或其它用戶可配置邏輯。IAP功能采用一個外部SPI閃存器件，是一個兩步過程。在第一步中，外部SPI閃存器件通過任何可用的接口，比如PCIe、USB、JTAG甚至以太網，用需要的比特流編程。用于SmartFusion2器件編程的所有比特流都進行了加密，以確保它們不會被篡改。

　　在第二步中，系統控制器通過系統服務請求執行IAP服務。用戶向系統控制器提供指針，指向外部SPI閃存內比特流位置的初始地址。IAP系統服務請求也有三個用戶選項：認證、編程或驗證。認證通常是在FPGA配置存儲器編程之前執行的，以驗證SPI閃存內的比特流適用于正在編程的器件。在認證期間，器件正常運行。

　　包含新比特流的外部SPI閃存還包含一個額外的鏡像，即用作恢復目的的一個好版本。用戶可以在任何時間點使用恢復鏡像將FPGA配置為良好狀態。恢復鏡像可以 “原樣”保存，也可在需要時進行更新以便用于關鍵漏洞的修復。

　　IAP功能實施期間可以使用程序恢復功能。若編程期間斷電，啟動編程恢復，系統控制器會以可控的方式將編程FPGA的內部電荷泵禁動。在接下來的供電周期中，在啟動FPGA結構之前，系統控制器將檢測到器件編程操作已經被中斷，它將從外部SPI閃存中的比特流啟動編程周期。用戶可選擇從好的鏡像進行更新或從剛剛推送到SPI閃存的遠程更新鏡像進行更新。當外部比特流被載入到SmartFusion2 FPGA內時，它采用內置的DPA對抗邏輯，以確保沒有電磁探針能夠將加密匙解密，從而為嵌入式系統提供可信任的安全器件。

　　與安全加密比特流和比特流驗證一起使用，程序恢復可提供目前連接的嵌入式系統需要的安全可靠的遠程編程更新機制，即使FPGA配置存儲器在編程的過程中斷電也一樣。