基于MC9S08JS16和AES的USB Key設計

隨著互聯網與電子商務的發展，網絡信息安全問題顯得尤為重要。數據保密變換或信息加密，成為對計算機信息進行保護的最實用和最可靠的方法。各種加密技術如軟件自校驗、密碼加密、鑰匙盤等軟加密技術和擴展卡、并行口軟件加密狗等硬加密技術應運而生，而USB接口密鑰(USB Key)憑借其獨特的優勢和極高的安全性備受青睞。
USB Key是一種通過USB(通用串行總線)接口直接與計算機相連、具有密碼驗證功能、可靠高速的小型存儲設備。USB Key的設計小巧精致、攜帶方便。由于是USB接口設備，USB Key通過USB端口提供的電源來工作，不需要額外的電源。USB Key自身所具備的存儲器用于存儲一些個人信息或證書，USB Key的內部密碼算法可以為數據傳輸提供安全的管道，適用于單機或網絡應用的安全防護產品。

1 系統工作原理及硬件設計
USB Key(簡稱Ukey)通過USB接口與PC機相連，用戶可以通過位于PC機的客戶端向Ukey發出命令，Ukey通過內部固件中算法實現數據加密，然后將加密后的數據返回客戶端。其工作原理如圖1所示。設計選用了8位USB微控制器(MCU)MC9S08JS16，MC9S08JS16型MCU內置全速USB2．0控制器并集成了1個USB收發器，同時含有高達16 KB的Flash和512 B的RAM。

用戶可以通過片內專用的3．3 V穩壓器或VUSB3．3引腳外接3．3 V電源為USB收發器和上拉電阻提供電源，這里采用片內的3．3 V穩壓器為USB收發器提供電源(須使能USBCTL0寄存器的USBVREN位)，硬件連接圖如圖2所示。

USB模塊需要兩個時鐘源，分別為24 MHz總線時鐘和48 MHz參考時鐘。48 MHz時鐘源由MCGOUT直接產生，為了獲得48MHz時鐘速率，MCG(通用時鐘產生器)必須被適當配置為PLL使能的外部占用模式PEE(PLL EngagedExternal)，外接一晶振。MC9S08JS16的USB模塊選擇內部上拉電阻(使能USBCTL0寄存器USBPU位)USB主機通過檢測上拉電阻檢測USB設備的聯結并確定設備速度。

2 系統軟件設計
2．1 USB設備初始化
圖3為USB模塊初始化流程圖，固件代碼初始化USB模塊，使其準備聯結到USB主機。通過設置USBCTL0寄存器的RESET位，重置USB模塊和所有寄存器為默認狀態，完成對USB RAM，BD(buffer descriptor)寄存器的初始化，特別是對于端點0的BD，設置EPAD寄存器，指示端點寄存器在USB RAM中的存儲，為了接收DATA0數據包，狀態與控制寄存器設置為(DTS=1，OWN=1，DATAO／1=0)。使能端點0，并根據硬件設計配置USB模塊，使能上拉電阻，3．3 V穩壓器與PHY。開放USB模塊和USB中斷，設備被置為連接狀態。

2．2 AES加密算法
系統采用128位高級加密標準AES(Riindael)算法進行數據加密。AES(Advanced Encxyption Standard)是美國國家標準與技術研究所用于加密電子數據的規范，用于代替現有的DES算法，AES作為新一代的數據加密標準匯聚了強安全性、高性能、高效率、易用和靈活等優點，被預期能成為公認的加密包括金融、電信和政府數字信息的方法。
AES算法是基于置換和代替的。置換是數據的重新排列，而代替是用一個單元數據替換另一個。AES加密例程開始是拷貝16字節的輸入數組到一個名為State(態)的4x4字節矩陣中。AES算法加密過程如圖4所示。