Материал: Программно-аппаратная защита речевой информации от утечки по виброакустическому каналу. Гончаров И.В., Мешкова А.Ф

Из таблицы 2.2 видно, что два младших бита идентификатора определяют груп­пу, к которой он принадлежит:

- 00 — специальный пакет;

- 01 — маркер-пакет;

- 10 — пакет подтверждение;

- 11 — пакет данных.

Структура данных пакета зависит от группы, к которой он относится.

2.2. Алгоритм работы устройства защиты информации

На рис. 2.9 изображена структурная схема предлагаемого устройства защиты информации (ЗИ).

Рис. 2.9. Структурная схема устройства

Программная часть подробно описана в подразделе 2.4, аппаратная – в подразделе 2.3.

2.3. Аппаратная часть устройства

В качестве аппаратного устройства управления потоком данных предлагается использование контроллера фирмы Atmel.

ATMEL содержит полноскоростной USB-модуль, совместимый с техническими требованиями USB версий 1.1 и 2.0. Данный модуль интегрирует USB-трансиверы со стабилизатором напряжения 3,3 В и процессор последовательного интерфейса (SIE) с цифровой схемой ФАПЧ для синтеза частоты 48 МГц. Модуль USB также содержит логику определения USB-события (сброс и приостановка/возобновление), а также буферы FIFO, поддерживающие принудительное управление конечной точкой (EP0) и до 6 универсальными конечными точками (EP1/EP2/EP3/EP4/EP5/EP6) при минимальном программном описании [36].

ATMEL поддерживает функции младших версий и отличается расширением объема флэш-памяти до 32 кБ, внутреннего ОЗУ до 256 байт, 4-уровневой системой прерываний, двумя 16-разрядными таймерами-счетчиками (T0/T1), полнодуплексным УАПП и встроенным генератором.

Кроме того, ATMEL содержит встроенное расширенное ОЗУ размером 1024 байт, двойной указатель данных, 16-разрядный реверсивный таймер (T2), программируемый счетный массив (PCA), до 4 программируемых источников тока для управления светодиодами, программируемый аппаратный сторожевой таймер и схема сброса при подаче питания.

ATMEL имеет два программно выбираемых режима для снижения потребляемой мощности. В режиме холостого хода (idle) работа ЦПУ приостанавливается, но таймеры, последовательные порты и система прерываний остаются в работе. В режиме выключения (power-down) сохраняется содержимое ОЗУ, останавливается синхронизация периферийных устройств, но микроконтроллер сохраняет возможность пробуждения через событие USB или по внешнему прерыванию [36].

Отличительными особенностями данного контроллера являются его следующие характеристики:

1. Ядро (6 тактов на инструкцию):

• максимальная частота ядра 40 МГц в режиме X1;

• двойной указатель данных;

• полнодуплексный улучшенный УАПП( УУАПП);

• три 16-разрядных таймера-счетчика: T0, T1 и T2;

• 256 байт сверхоперативной памяти.

2. 32-кБ встроенной флэш-памяти с внутрисхемным программированием через USB или УАПП

3. 4 кБ ЭППЗУ для загрузочного сектора (3 кБ) и данных (1 кБ)

4. Встроенное расширенное ОЗУ (XRAM): 1024 байт

5. Модуль USB с прерыванием на завершение передачи:

• Конечная точка 0 для управления передачей : 32 байтный буфер FIFO;

• 6 программируемых конечных точек с направлениями ввода и вывода и с режимами передачи: массовый, прерывающийся и изохронный.

6. Конечные точки 1, 2, 3: 32-байтный буфер FIFO

7. Конечные точки 4, 5: размер буфера FIFO 2 x 64-байта с двойной буферизацией (режим Ping-pong)

8. Конечная точка 6: 2 x 512-байтный буфер FIFO с двойной буферизацией ( режим Ping-pong):

• Прерывания по приостановке/возобновлению;

• Сброс при подаче питания и сброс USB шины;

• Генерация 48 МГц схемой ФАПЧ для полноскоростного функционирования шины;

• Разъединение USB шины по запросу микроконтроллера.

9. 5 канальный программируемый счетный массив (PCA) с 16-разрядным счетчиком, быстродействующим выходом, сравнением/захватом фронтов, функциями ШИМ и сторожевого таймера

10. Программируемый сторожевой таймер (однократно разрешает после сброса): от 50 мс 6 с при 4 МГц

11. Интерфейс подключения клавиатуры с генерацией прерывания на порте P1 (8 разрядов)

12. SPI интерфейс (режим главный/подчиненный)

13. 34 линии ввода-вывода

14. 4 вывода для подключения светодиода с программируемым источником тока : 2-6-10 мА типично

15. 4-уровневая система прерываний с приоритетами (11 источников)

16. Режимы холостого хода и экономичный

17. Встроенный генератор 0…32 МГц с аналоговой схемой ФАПЧ для синтеза 48 МГц

18. Стабилизатор напряжения и выход опорного источника : 3.3В/4 мА

19. Низкий диапазон напряжения источника питания:

• 3.0В…3.6В;

• Максимальный рабочий ток 30 мА (при 40 МГц);

• В экономичном режиме потребление 100 мкА.

20. Коммерческий и промышленный температурные диапазоны

21. Корпуса: PLCC52, VQFP64, MLF48, SO28

Структура микроконтроллера представлена на рис. 2.10. Структурная схема USB-модуля в микроконтроллере ATMEL представлена на рис. 2.11. Расположение выводов контроллера показана на рис. 2.12.

SHAPE \* MERGEFORMAT

Р ис. 2.11. Структурная схема USB-модуля в микроконтроллере ATMEL

Рис. 2.12. Расположение выводов ATMEL

ATMEL содержит специальный аппаратный модуль, который позволяет ему обеспечивать обмен данными по USB. Для этого необходимы опорные синхроимпульсы с частотой 48 МГц, которые вырабатываются контроллером синхронизации. Эти синхроимпульсы используются для формирования тактовых импульсов с частотой 12 МГц из принятого дифференциального потока данных USB и передачи данных на высокой скорости, соответствующей требованиям к USB устройствам. Формирование синхроимпульсов выполняется цифровой системой ФАПЧ [36].

Блок автоматов последовательного интерфейса (SIE) выполняет NRZI кодирование и декодирование, вставку бита, формирование битов проверки на четность (CRC кодирование и декодирование) и последовательно-параллельное преобразование данных.

Описание светодиодов, перемычек и кнопок

Светодиод VD1 показывает подключен ли интерфейс RS232, VD3 и VD4 служат для индикации обмена данными по линиям Rx и Tx RS232 интерфейса, VD5 – индикатор питания. Перемычка P1 соединяет кнопку с линией PSEN либо с линией KINO, P2 – отключает сигнал VREF от USB – это необходимо для того, чтобы при подключенном USB кабеля к плате, отключить постоянное напряжение 3,3В, тогда операционная система воспримет это действие как отключение устройства от USB. Кнопка К1 - кнопка сигнала внешнего прерывания INT0, К2 – нажимается перед подключением платы к USB порту компьютера, позволяет войти в режим In-System программирование, К3 - кнопка сброса.

Для обеспечения необходимого для зашумления значения напряжения сигнала на выходе микроконтроллера требуется подключить усилитель сигнала. Используется традиционная схема усилителя на биполярном транзисторе, работающем в ключевом режиме, включенным по схеме с общим эмиттером. Напряжение, подаваемое на базу транзистора, определяется стабилитроном VD1. Резисторы R1, R2, R3 ограничивают ток через стабилитрон VD1 и транзистор VT1.

2.4. Программное обеспечение и драйвер устройства

2.4.1. Система Plug and Play

Каждое USB-устройство, спроектированное по спецификации Plug and Play (PnP), должно иметь идентификатор, который однозначно определяет модель данного уст­ройства. Этот идентификатор должен быть предоставлен шинному аппарат­ному обеспечению и, соответственно, шинному драйверу при поступлении запроса [23]. Секция описания модели содержит поле hwid, играющее роль идентификатора модели.

Идентификатор устройства должен иметь строго определенный для данного класса устройств формат. Для USB-устройств идентификатор имеет сле­дующий формат:

USB\Vid_ww&Pid_ddddSRev_rr

Здесь ww — идентификатор поставщика (поле idvendor дескриптора уст­ройства, зарегистрированный в Комитете USB-производителей; dddd — идентификатор, присвоенный производителем данный моде­ли USB-устройства (поле idProduct); rr — номер версии разработки. Все эти поля вводятся как шестнадцатеричные числа.

В INF-файле допустимо указывать усеченные варианты идентификаторов, например:

USB\Vid_ww&Pid_dddd

USB\Class_cc&SubClass_ss_Prot_pp

USB\Class_cc&SubClass_ss USB\Class_cc

Здесь ее — код базового класса из полученного дескриптора устройства или дескриптора интерфейса данного USВ-устройства; ss — код подкласса; рр — идентификатор протокола.

Примеры USB-идентификаторов:

• usb\vid_040a&pid_oioo — цифровая USB-камера Kodak;

• usb\root_hub20 — USB-хаб;

- usb\vid_067bspid_2303 — USB-мобильный телефон.

2.4.2. Модель wdm

WDM (Windows Driver Model, драйверная модель Windows) — новая модель архитектуры драйверов, предложенная Microsoft для Windows 2000. Конечно, эта архитектура развивалась начиная с Windows 3.11, продолжала развивать­ся в Windows 98 и Windows NT, но по-настоящему полной она стала только в Windows 2000.

Архитектура WDM позволяет распределить процесс передачи данных (рис. 2.13).

С точки зрения WDM, существуют три типа драйверов.

• Драйвер шины (bus driver), обслуживающий контроллер шины, адаптер, мост или любые другие устройства, имеющие дочерние устройства. Драй­веры шин нужны для работы системы и в общем случае поставляются Microsoft. Для каждого типа шины (PCI, PCMCIA и USB) в системе име­ется свой драйвер. Сторонние разработчики создают драйверы для под­держки новых шин, например, для VMEbus, Multibus или Futurebus.

• Функциональный драйвер (function driver) — основной драйвер устройства, предоставляющий его функциональный интерфейс. Обязателен кроме тех случаев, когда устройство используется без драйверов (т. е. ввод/вывод осуществляется драйвером шины или драйвером фильтров шины). Функциональный драйвер по определению обладает наиболее полной инфор­мацией о своем устройстве. Обычно только этот драйвер имеет доступ к специфическим регистрам устройства.

Рис. 2.13. WDM-модель для USB-интерфейса

• Драйвер фильтра (filter driver), поддерживающий дополнительную функ­циональность устройства (или существующего драйвера) или изменяю­щий запросы на ввод/вывод и ответы на них от других драйверов (это часто используется для коррекции устройств, предоставляющих неверную информацию о своих требованиях к аппаратным ресурсам). Такие драй­веры не обязательны и их может быть несколько. Они могут работать как на более высоком уровне, чем функциональный драйвер или драйвер шины, так и на более низком. Обычно эти драйверы предоставляются производителями или независимыми поставщиками оборудования.

Согласно типам драйверов, существуют три типа объектов:

• объекты физических устройств (PDO, Physical Device Object);

• объекты функциональных устройств (FDO, Functional Device Object);

• объекты фильтров устройств (FiDO, Filter Device Object).

Объекты PDO создаются для каждого физически идентифицируемого эле­мента аппаратуры, подключенного к шине данных. Объект FDO подразуме­вает единицу логической функциональности устройства. Объекты фильтров предоставляют дополнительную функциональность.

В среде WDM один драйвер не может контролировать все аспекты устрой­ства: драйвер шины информирует диспетчер РпР об устройствах, подключенных к шине, в то время как функциональный драйвер управляет устрой­ством. Драйверы фильтров низкого уровня позволяют исправлять информа­цию о требованиях устройства к системным ресурсам, а драйверы фильтров высокого уровня добавляют устройству дополнительную функциональность (например, производят дополнительную защиту клавиатуры).

В поставку Windows входят два низкоуровневых драйвера, избавляя про­граммиста от множества рутинной работы:

• драйвер хоста отвечает за обмен данными с аппаратурой;

• драйвер шины USB отвечает за управление транзакциями, питанием и распознавание устройств.

С точки зрения прикладного программиста, наибольший интерес представ­ляют драйвер класса (class driver) и интерфейс обращения к этому драйверу. Здесь операционная система Windows делает еще один шаг на пути унифи­кации интерфейсов. Все USB-устройства делятся на группы, согласно об­щим свойствам, выполняемым функциям и требованиям к ресурсам [23,24,25].