基于PowerPC4601的密码专用SIP芯片设计与应用.pdfVIP

摘要

5G时代的到来，宣告着人类社会的电子产品将达到一个新的数量级。在海量的电子产品

中，嵌入式设备更是占据了主导份额。于此同时，嵌入式设备也面临着安全性问题，其内部

的程序与数据存在着被从引脚、总线等部位读出的危险。一旦发生数据泄露，将对产品开发

商的知识产权与产品使用者的数据隐私造成极大损害。因此，对嵌入式设备的内部程序数据

进行加密保护显得尤为重要。在众多的嵌入式设备数据保护方法中，专用密码芯片加密以其

简单高效，便于扩展等优点得到了广泛应用。

目前市场上的专用密码芯片大多采用SOC片上系统设计，将密码芯片的多个功能模块组

合到一块IC晶片上，以获得高集成度与低功耗。但相应的，SOC形式的密码芯片存在工艺复

杂度高，研发周期长的缺点。在电子设备更新换代速度日益加快的今天，过长的研发周期非

常不利于产品的市场抢占。

基于以上现实需求，本文采用SIP技术，将承担不同功能的国产裸芯片组合封装成具有

数据加密保护功能的系统。此设计方式不需要考虑不同裸芯片间的工艺兼容问题，并且能够

有效减小系统的电路占用面积，具有工艺复杂度低、集成度高、研发周期短以及国产化自主

可控的特点，有效缩短了产品的上市时间。

本文密码专用SIP芯片包括三个主要组成部分：MCU模块、FLASH存储模块与噪声码

模块。其中，MCU模块以PowerPC4601芯片为硬件基础，是系统控制与加/解密运算处理的

核心。PowerPC4601芯片内部C8000内核的七段流水线架构与32位整数单元提供了系统运

算处理的性能保障，丰富的串口种类资源，便利了芯片系统功能模块的扩展。FLASH存储模

块以GD25S256MD芯片为硬件基础，具有32MB的存储空间，满足SIP芯片加/解密操作产

生的数据存储需求。噪声码模块以WNG9芯片为硬件基础，产生真随机数，保证密钥生成的

无规律性。

在模块连接上，本文以MCU模块为中心进行接口与通信设计，定义了通信数据格式。选

用SPI串口建立MCU模块与FLASH存储模块间的全双工快速同步数据传输通道，为系统的

加/解密操作提供快速率的数据传输支持。根据密钥数据量相对较小的特点，将EPORT端口

的部分引脚设置为通用I/O口，进行MCU模块与噪声码模块间的真随机数传输。采用SCI异

步传输串口作为MCU模块的外部通信通道，负责模块与外部主机间的数据收发工作。在芯

片SIP封装方案上，对PowerPC4601裸芯片与GD25S256MD裸芯片进行组合封装。两块裸

芯片采用金字塔型立体堆叠方式排列，并以引线键合的方式进行引脚连接。最终封装成的SIP

芯片实物面积达到10*10mm程度，有效增强了系统的集成度。

基于SIP芯片的硬件结构，本文搭建了实验测试平台，在密码芯片上进行了SM4与SM2

两种国密算法的实现。同时给出了SIP芯片上两种国密算法组成的混合加密方案，提供了大

数据量情况下，减小密钥管理消耗的设计。最后，总体论述了密码专用SIP芯片设计方案的

实用性与芯片应用场景。

关键词：密码芯片，系统级封装，PowerPC4601，SM2，SM4,混合加密

ABSTRACT

Theadventofthe5Geraannouncesthattheelectronicproductsofhumansocietywillreacha

neworderofmagnitude.Amongthemassofelectronicproducts,embeddeddevicesevenoccupya

dominantshare.Atthesametime,embeddeddevicesarealsofacingsecurityproblems.Theprograms

anddatastoredinthechiphavetheriskofbeingreadfrompins,buses,etc.Oncedataleakageoccurs,

itwillcauseextremedamagetotheintellectualpropertyrightsofproductdevelopersandthedata