如何对xilinx FPGA进行bit文件加密

Posted 2020-11-20 lifei-chan

记录背景：最近在用Vivado评估国外一个公司所提供的ISE所建的工程时，由于我并没有安装ISE工程，因此将其提供的所有v文件导入到Vivado中，对其进行编译。添加完之后成功建立顶层文件，但奇怪的是，除了顶层文件的v文件可以正常打开编辑外，其它sub层的v文件都无法正常打开编辑，双击打开后显示的是乱码，继续查找它们与顶层文件有什么不同时，发现这些文件的属性之一——encrypted 都是“yes”状态。

这多少有点震惊我了，我之前只知道为了保护某文件的保密性时，一般都是生成网表（ncg？netlist？）文件以便提供他人使用，别人拿到的网表文件只是个空壳子，尽管调用就好，里面的代码对他来说就是个空壳子。

为了知道别人是怎么做到v文件加密的（感觉逼格挺高的），上网搜索一番，最后，最后，最后发现是需要Xilinx提供特定的工具才可以（而这一说法也得到了Xilinx的FAE的认证），而这个特定的工具一般只有Xilinx的高级客户才会拥有。好吧，继续挖掘的冲动突然就猝死了。

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转自：https://blog.csdn.net/u010161493/article/details/79200527，如有侵犯，请告知删除，抱歉！

加密的优点

xilinx的V6和7全系列FPGA支持AES256加密，加密的好处： 
1，可以防止别人回读或者对你的程序进行逆向读取； 
2，防止更改烧写的bit文件。 
如果仅仅是防止回读，可以简单设置BITSTREAM.READBACK.SECURITY，其中LEVEL1是禁止回读，LEVEL2禁止回读和重新烧写FPGA。 
但如果对手的逆向能力很强，比如说在FPGA上电加载bit的时候用逻辑分析仪把用bit文件“读”出来，这个简单的设置肯定就不行了。这时候可以使用AES256加密。

AES算法简介：

AES即高级加密标准，是一种区块加密，当然也是对称加密。区块固定为128bit，秘钥为128，192或256bit。AES有5种加密模式，xliinx采用的是CBC模式。有一个128bit初始向量IV（startCBC），先利用初始向量IV与第一组数据进行异或后再进行加密运算生成C1。将C1作为初始向量与第二组数据进行异或后再进行加密运算生成C2。以此类推，当最后一组数据加密完毕后，将加密结果拼接为最终结果，C = C1C2C3……Cn。 
所以采用CBC模式的256AES需要两个东西，128bit-startCBC和256bit-AES key。

到这里还没完，完成了bit加密还没有认证，万一别人把烧进去bit文件篡改了怎么办？（重新烧了新的bit文件）。所以xilinx又提供了HMAC的认证，这个就跟校验差不多了，检查消息的完整性。

所以还需要提供256bit-HMAC，加上128bit-startCBC和256bit-AES key，一共是三个。这三个key可以自己生成，也可以指定空的 .nky文件，由软件随机生成好。 
for example 
··· 
Device xc7a35t; 
Key 0 0f2ec1178ae0d04c8c1431afe8266d08e799b01c5c486c2567f3621f47319aaf; 
Key StartCBC a6262d508c338eeab815340a7832436d; 
Key HMAC d82e72733a7bd7904c802d13db37187b8ad20b972ac163470c5a4d239bce6308; 
··· 
加密的AES key可以存到FPGA内部易失性的BBR或只能烧写一次（OTP）的eFUSE中。 
BBR需要电池供电，可以多次编程。eFUSE不需要电池，但只能烧写一次。这里使用eFUSE

eFUSE寄存器

首先来看一下eFUSE寄存器： 
 
一共有四个寄存器，分别是存放AES秘钥，用户信息，设备DNA和eFUSE控制。下面特别关注一下eFUSE控制寄存器：

 
 
一共有6个bit有用，各种设置的优缺点表里有详细说明，使用参考设置101100就行了。 
其中bit0很重要，万一置位了，AES的key又搞丢了，FPGA就变砖头了。

具体的操作步骤如下：

1生成key和加密bit

下面三个key可以自己生成填进去，也可以由软件随机生成。 


要打开edit device properties,先要打开sythesized design 或者implement design，然后在generate bitstream右键设置 

2下载eFUSE

 
 
 

3烧写FPGA程序

 
 
program 
 

4验证

很简单，读出mcs然后烧到另一个FPGA里面去，可以看到不能工作。当然，也可以在前面eFUSE设置时选择只能加载AES加密的bit文件，这样换一个不加密的bit下进去也能验证。 
 

 

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Q1：在bitstreams中的edit device property选项中，没有encyption选项，所以无法设置efues。

A1：这应该是开发工具版本过低的原因，升级到新版本试试。