Структурная схема разрабатываемого устройства

 

Проанализировав техническое задание, составим структурную схему устройства:

· Устройство предназначено для аппаратного шифрования компьютерных файлов. Поэтому устройство будет использоваться в составе с персональным компьютером.

· Устройство будет производить шифрование данных с большой скоростью (до 12 Мбит/сек). Поэтому основой устройства должен быть высокопроизводительный 32-х разрядный микроконтроллер.

·  Устройство связано с компьютером через интерфейс USB на скорости 12 Мбит/сек. Поэтому микроконтроллер, используемый в устройстве, должен быть оснащен full-speed USB контроллером.

· Для предотвращения влияния на устройство высокочастотных помех из линии связи USB интерфейса, в состав устройства необходимо включить фильтр USB сигнала.

· Питание устройства обеспечивается интерфейсом USB. Для обеспечения надежной работы аппаратного шифратора, необходимо предусмотреть стабилизацию и, если необходимо, преобразование полученного от USB напряжения.

· Необходимо предусмотреть индикацию подачи питания на устройство и индикацию нормальной работы устройства.

· Для генерации сеансовых ключей шифрования в устройстве реализован аппаратно-программный генератор случайных чисел.

· В устройстве должна присутствовать энергонезависимая EEPROM память данных для хранения мастер ключей.

Структурная схема устройства для аппаратного шифрования информации, которая соответствует приведенным выше требованиям, изображена на рисунке 1.9.

 

Рис. 1.9 – Структурная схема устройства аппаратного шифрования

 

2. РАЗРАБОТКА СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ АППАРАТНОГО ШИФРАТОРА

 

2.1 Выбор элементной базы для шифратора

 

Согласно техническому заданию, элементная база для аппаратного шифратора должна состоять из компонентов доступных в Украине.

 

2.1.1  Выбор микроконтроллера

2.1.1.1 Обоснование выбора

Согласно техническому заданию, устройство должно поддерживать USB. Следовательно, нужен контроллер с поддержкой этого интерфейса.

Устройство должно шифровать файлы с максимально возможной скоростью, поэтому контроллер должен быть быстрым.

Наиболее подходящими контроллерами являются Atmel AT91SAM7S64, Atmel AT89C5131, Philips LPC2141, Philips LPC2142.

 

Таблица 2.1 – Параметры микроконтроллеров

Микроконтроллер	Быстродействие, MIPS	Объем flash, Кб	Объем ОЗУ, Кб	Цена, USD
AT91SAM7S64	50	64	16	5
AT89C5131	4	32	1	8
LPC2141	55	32	8	5
LPC2142	55	64	16	7
Коэф. важности	0,2	0,15	0,15	0,5

 

Выберем один из них по матрице параметров:

 

1) ;

2) Составим матрицу приведенных параметров:

- если большее значение параметра  соответствует лучшему качеству ИМС, то ;

- если параметр не удовлетворяет этому условию, то .

 

;

 

3) Составим матрицу нормированных параметров A:

, где  – максимальное значение j-го параметра.

 

;

 

4) Вычислим оценочную функцию :

 

;

 

Т.к.  наименьшее, то AT91SAM7S64 будет оптимальным выбором.

 

2.1.1.2 Технические характеристики микроконтроллера AT91SAM7S64.

Характеристики микроконтроллера [2]:

· Содержит ядро процессора ARM7TDMI® ARM® Thumb® ;

· Высокопроизводительная 32-разр. RISC-архитектура;

· Обширный набор 16-разр. инструкций;

· Лидер по соотношению производительность/энергопотребление;

· Встроенное ядро внутрисхемной эмуляции с отладочным коммуникационным каналом;

· Внутренняя высокоскоростная флэш-память размером 64 кбайт и организацией 512 страниц по 128 байт в каждой

§ Однотактный доступ при частотах до 30 МГц. Упреждающий буфер оптимизирует выполнение Thumb-инструкций при максимальном быстродействии;

§ Время программирования страниц: 4 мс, в т.ч. автоматическое стирание страницы; время полного стирания: 10 мс;

§ 10,000 циклов записи, 10-летний срок хранения данных, функции защиты секторов, бит защиты флэш-памяти;

§ Интерфейс быстрого программирования флэш-памяти для серийного производства;

§ 16 кбайт внутреннего высокоскоростного СОЗУ, однотактный доступ при максимальном быстродействии;

· Контроллер памяти (MC)

§ Встроенный контроллер флэш-памяти, определение некорректного доступа и формирование статуса ошибки;

· Контроллер сброса (RSTC)

§ Состоит из схемы сброса при подаче питания и схемы детектора снижения напряжения питания с откалиброванным в заводских условиях порогом;

§ Выполняет обработку внешнего сигнала сброса и формирует информацию об источнике сброса;

· Тактовый генератор (CKGR)

§ Маломощный RC-генератор, встроенный генератор частот от 3 до 20 МГц;

§ Одна схема ФАПЧ;

· Контроллер управления энергопотреблением (PMC)

§ Возможность программной оптимизации энергопотребления, в т.ч. с использованием режимов пониженного быстродействия (Slow Clock), возможно снижение частоты до 500 Гц) и режим холостого хода (Idle);

§ Три программируемых внешних тактовых сигнала;

· Усовершенствованный контроллер прерываний (AIC)

§ Индивидуальное маскирование, восемь уровней приоритетов, векторизованные источники прерываний;

§ Два внешних источника прерывания + один внешний источник прерывания с быстрым реагированием, защита от ложных прерываний;

· Блок отладки (DBGU);

§ 2-пров. УАПП + поддержка прерывания по отладочному коммуникационному каналу, программируемое предотвращение доступа со стороны внутрисхемного эмулятора;

· Интервальный таймер (PIT);

§ 20-разр. программируемый счетчик + 12 разр. счетчик интервалов;

· Сторожевой таймер (WDT)

§ 12-разр. программируемый счетчик с защитой ключом;

§ Выполняет сброс или генерирует запрос на прерывание системы;

§ Счетчик может быть остановлен, когда процессор находится в состоянии отладки или в режиме холостого хода;

· Таймер реального времени (RTT)

§ 32-разр. циклический счетчик с сигнализатором;

§ Работает от внутреннего RC-генератора;

· Один контроллер параллельного ввода/вывода (PIOA)

§ 42 программируемые линии ввода-вывода, мультиплексированные с двумя встроенными периферийными модулями;

§ Возможность генерации прерывания по изменению на входе любой линии ввода-вывода;

§ Индивидуально программируемые открытый сток, подтягивающий резистор и синхронизированный выход;

§ 11 канальный контроллер периферийных данных (PDC);

§ Один полноскоростной контроллер USB 2.0 (12 Мбит/сек), режим устройства;

§ Встроенный трансивер, встроенные конфигурируемые буферы FIFO емкостью 328 байт каждый;

§ Один синхронный последовательный контроллер (SSC);

§ Отдельные синхронизация и сигналы синхронизации кадра у каждого приемника и передатчика;

§ Поддержка аналогового интерфейса I2S, поддержка временного уплотнения;

§ Возможность высокоскоростной непрерывной передачи потока данных в 32-разр. формате;

· Два универсальных синхронных/асинхронных приемопередатчика (УСАПП)

§ Раздельные генераторы скорости связи, инфракрасная модуляция/демодуляция (IrDA);

§ Поддержка смарт-карт ISO7816 T0/T1, аппаратное подтверждение связи, поддержка RS485;

§ Полный интерфейс модема на УСАПП1;

· Последовательный периферийный интерфейс SPI с режимами ведущий/подчиненный

§ Программируемая длина данных от 8 до 16 бит, четыре внешних выхода выбора микросхем;

§ Один трехканальный 16-разр. таймер-счетчик (TC);

§ Три внешних тактовых входа, две линии универсального ввода-вывода на каждый канал;

§ Два ШИМ-генератора, режим захвата и генерации импульсов, возможность реверсирования счета;

§ Один четырехканальный 16-разр. ШИМ-контроллер (PWMC);

§ Один двухпроводной интерфейс (TWI);

§ Работает только в режиме ведущего, поддерживаются все двухпроводные ЭСППЗУ фирмы Atmel;

· Один 8-канальный 10-разр. аналогово-цифровой преобразователь, четыре канала мультиплексированы с линиями цифрового ввода-вывода;

· Граничное сканирование всех цифровых линий в соответствии со стандартом IEEE 1149.1 через интерфейс JTAG;

· Линии ввода-вывода совместимы 5В уровнями и обладают повышенной нагрузочной способностью, до 16 мА каждая;

· Источники питания

§ Встроенный стабилизатор напряжения 1,8 В с нагрузочной способностью до 100 мА для питания ядра и внешних компонентов;

§ Напряжение питания ввода-вывода VDDIO = 1,8В или 3,3В, отдельное питание флэш-памяти VDDFLASH = 3,3В;

§ Напряжение питания ядра VDDCORE = 1,8В (с детектором понижения напряжения);

§ Напряжение питании аналоговой схемы VDDANA = 3,3В;

· Статическая работа на частотах до 55 МГц при наихудших условиях работы: напряжение питания 1,65 В, температура 85°С.

 

2.1.2 Выбор стабилизатора напряжения

Согласно техническому заданию размеры устройства не должны превышать 55х30х15 мм. Из этого следует, что стабилизатор нужно выбирать в миниатюрном корпусе. Немаловажный параметр стабилизатора – падение напряжения на нем. Чем оно меньше - тем лучше. Важным критерием является цена устройства.

На украинском рынке представлены такие стабилизаторы напряжения: LM1117, IRU1117, MC33269.

Выберем один из них по матрице параметров (Таблица 2.2).

 

Таблица 2.2 – Параметры стабилизаторов напряжения

Стабилизатор	Падение напряжения, В	Макс. размер, мм	Цена, USD
LM1117	1	7	0.9
IRU1117	1.2	7	0.6
MC33269	1	9	0.9
Коэф. важности	0.4	0.4	0.2

 

1) ;

 

2) Составим матрицу приведенных параметров:

- если большее значение параметра  соответствует лучшему качеству ИМС, то ;

- если параметр не удовлетворяет этому условию, то .

 

;

 

3) Составим матрицу нормированных параметров A:

 

,

где  – максимальное значение j-го параметра.

 

;

 

4) Вычислим оценочную функцию :

 

;

 

Т.к.  наименьшее, то LM1117 будет оптимальным выбором.

 

2.2 Описание работы схемы

 

Питание +5 В и сигнал интерфейса USB поступает с разъема XS1. Резистор R1 подтягивает линию USB D+ на +3,3 В (для автоматического определения скорости устройства хостом). Дроссели L1-L5 используются для подавления высокочастотных помех. Конденсаторы С3, С5, С6 и резисторы R2, R3 представляют собой стандартную схему фильтрации сигналов USB. После фильтров сигнал USB поступает в микроконтроллер AT91SAM7S64 DD1.

Схема питания, генерирующая +3,3 В, собрана на линейном стабилизаторе напряжения LM1117-3.3 DA1, диоде Шотки VD1, предотвращающем обратные токи, и блокировочных конденсаторах С1, С2, С4.

Конденсаторы С7, С9 и резистор R4 это цепочка, необходимая для работы ФАПЧ (PLL) микроконтроллера.

Конденсаторы C12, C13 совместно с кварцевым резонатором ZQ1 представляют собой колебательный контур, задающий частоту генератора, встроенного в микроконтроллер.

C8, C10, C11, C14, С15, С16, С17, С18, С19, С20, С21, С22 – это блокировочные конденсаторы по питанию микроконтроллера.

При включении устройства в порт USB, микроконтроллер инициализирует внутренние регистры, настраивает ФАПЧ и проводит процесс энумерации USB устройства. Далее проходит процедура инициализации алгоритма Blowfish и программа микроконтроллера входит в цикл ожидания команд от хоста.