USB软件加密卡及其驱动程序的设计与开发

1　引　言
　　软件加密卡（又称软件狗）是一种智能型加密工具，是一个安装在并口、串口等接口上的硬件电路。当被保护的软件运行时，程序向插在计算机上的加密卡发出查询命令，加密卡迅速计算查询并给出响应，正确的响应能保证软件顺利运行。如果没有软件加密卡，程序不能运行。最新的第四代软件加密卡内置一个单片机芯片，芯片中存有特定的算法程序，可将读出的密钥进行加密变幻，以对抗逻辑分析仪。
　　USB软件加密卡是USB接口技术与第四代加密卡技术结合的产物，因而与其它加密卡相比具有一些明显优势：首先，USB的数据传输速度快，USB1．0协议为12M比特率，USB2．0版可达480M比特率；其次，USB的底层数据传输具有特定的打包方法和编码格式，这样就增加了加密数据在传输过程中被截获及解密的难度。最后，USB设备的即插即用性（plug－and－play）极大地方便了用户的使用，比如，要在其它微机上使用被保护软件时，只要一拔一插即可，免除了开机箱和重启动的麻烦。
2　USB软件加密卡的硬件设计
2．1　USB接口芯片
　　USB接口芯片的种类很多，但无论何种接口芯片，都有两个基本功能：一是与上位机通信；二是提供对外围电路CPU的接口。也就是说接口芯片架起了计算机与外围设备的桥梁，使开发者不用关心复杂的USB协议是如何将数据传送到主机的。
　　现有的支持USB1．0协议的接口芯片可大致分为两类：一种为内部集成了微控制器，如Intel 8×930Ax／Hx内嵌一个8051CPU；另一种则只提供了对外围电路访问的读写接口，如USBN9603。在加密卡的设计中，建议采用第二种类型，因为对于较复杂的加密算法，8051CPU处理起来很吃力。下面以USBN9603为例介绍接口芯片的使用。
　　图1描述了USBN9603的逻辑结构，可以看到芯片对外提供了8位并行接口，该接口为数据／地址复用接口，芯片内部自带地址锁存器，配合CS，RD，WK信号完成对内部寄存器的读写操作。USBN9603有一外部中断INTR管脚，当USB接口有状态变化时可产生中断信号通知CPU，通过软件置中断屏蔽寄存器位，可控制中断信号的发生。
　　USBN9603有7个与主机相连接的端点，包括一个双向命令传输端点、三个接收端点、三个发送端点，可支持中断（Interrupt）、批量（Bulk）和等时（Isochronal）传输模式。USBN9603传输器（Transceiver）配有的电压调节器通过软件置位可产生上拉电压，通过上拉电阻接D＋则接通全速模式，接D－则接通低速模式。
　　USBN9603使用外接晶振，同时有一个对外的时钟输出器，产生对外的时钟信号，它的输出频率可由软件控制。USBN9603的USB接口引擎由物理层和媒介通道控制器组成。物理层包括数字时钟电路、监视电路、位填充与清除逻辑电路等。媒介通道控制器层要完成数据包格式化、循环冗余检测、端点地址侦察等任务，并提供对端点发出的NAK，ACK和STALL回应的控制。接口引擎还要负责侦察和报告USB总线事件，如复位，挂起和恢复。

　　USBN9603向开发者提供了53个可编程的寄存器，地址分布在0x00～0x3F。CPU通过对寄存器的读写，完成一切USB接口操作。USBN9603寄存器被映射为CPU的外部RAM。CPU通过CS片选信号寻址，在ALE信号及RD、WR信号的配合下，由8位的并口写入地址和数据。虽然读写操作简单，但各寄存器的定义及作用却复杂，但只要对USB协议及USBN9603功能有一定的了解，就不难理解和掌握各寄存器的使用。
2．2　外围控制电路的设计
　　外围控制电路的作用有两个：一是对USB接口操作；二是实现加密算法。这要求主控芯片提供基本的读写、中断和地址／数据信号，同时要有一定的计算能力以适应加密算法。在此前提下，我们有多种选择，但加密卡的制作不能一味地追求高保密性能，而忽视了开发成本，应根据不同的应用场合灵活地选用不同的方案。例如，采用DSP芯片，其保密性和计算速度俱佳，但开发成本高、周期长；也可用价格低廉的单片机如8051，虽然速度慢且保密性差，但制作简单、开发周期短。
　　我们在实践中应用的一种方案为单片机＋FPGA（Field Programmable Gate Array）模式，既可方便地用单片机完成对USB口的操作，又能利用FPGA的速度快和保密性强等特点实现复杂的加密算法。FPAG支持众多的加密标准如AES、DES、三倍DES。而且，依靠FPGA的在线编程功能可方便地实现算法的更新与升级。这种组合模式符合模块化设计思想，会一定程度地提高开发速度。
3　USB软件加密卡驱动程序设计
3．1　驱动程序的基本功能实现
　　驱动程序的基本功能就是建立应用程序与加密卡之间的数据通讯。Windows98和Windows2000操作系统为USB总线提供了全面的支持，并且用WDM（Windows Device Mode）设备驱动程序模型代替了VxD设备驱动程序。WDM支持USB1．1协议，并为用户开发自己的用户驱动程序提供了下沿接口USBDI（USBDriving Interface）。USB用户驱动程序通过USBDI访问USB设备类驱动程序。USB客户驱动程序决不会收到任何硬件资源（如端口或中断），所有低层I／O都由USB设备类驱动程序应付。客户驱动程序只关心数据传输类型、传输时序、传输管道以及如何处理数据等主要操作。USBDI就是为实现这一点而设计的软件接口。形象地讲，USBDI以软件形式搭建了一个USB协议中所定义设备的逻辑结构，见图2。