[發(fā)明專利]安全敏感系統(tǒng)中的微處理器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200880023337.7
• 申請日: 2008-05-09
• 公開（公告）號: CN101689233A
• 公開（公告）日: 2010-03-31
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 拉爾夫·馬爾察恩;里·陶
• 申請（專利權(quán)）人: NXP股份有限公司
• 主分類號: G06F21/02
• 分類號: G06F21/02;G06F11/16
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司
• 代理人: 王波波

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及安全敏感系統(tǒng)中的微處理器，用于根據(jù)指令來處理操 作數(shù)。

背景技術(shù)

在很多不同的學(xué)科(如密碼和計算機科學(xué))中，模算術(shù)是一種強 大的工具。由于模算術(shù)，在根據(jù)特定指令來執(zhí)行特定步驟的乘法、加 法、除法和/或減法的微處理器的幫助下，可以對消息等進行編碼和解 碼。

因此，對于兩個整數(shù)a和a’，如果n是正整數(shù)并且a-a’是n的整 數(shù)倍，則將a和a’稱作模n同余，并且表達為a≡a′(mod?n)。

如果a≡a′(mod?n)并且b≡b′(mod?n)，則對于整數(shù)a、a’、b和b’， 下列規(guī)則成立：

·(a+b)≡(a′+b′)(mod?n)

·(a-b)≡(a′-b′)(mod?n)

·(a*b)≡(a′*b′)(mod?n)。

特別在安全敏感的計算系統(tǒng)(例如智能卡控制器)中，微處理器 執(zhí)行的算術(shù)運算可能被干擾或者甚至被稱為黑客的未授權(quán)人員的攻擊 所操縱。由于敏感數(shù)據(jù)可能被盜，特別是如果由軟件來計算密碼算法 (如RSA)時，這可能是危險的。

為了克服該問題，兩種眾所周知的解決方案是常見的。在第一種 解決方案中，將微處理器計算硬件加倍。但是這大部分消耗了過多的 芯片面積。在第二種解決方案中，執(zhí)行加倍的計算，但是因此降低了 系統(tǒng)性能。

發(fā)明內(nèi)容

相應(yīng)地，本發(fā)明的目的是提供一種微處理器，能夠執(zhí)行安全敏感 的計算，并且在不實質(zhì)性降低其性能的情況下抵御攻擊。

為了實現(xiàn)該目標(biāo)，該微處理器具有基于模的檢查硬件，以與該微 處理器并行地執(zhí)行運算，并且用于比較兩個結(jié)果的同余性。

本發(fā)明的核心在于以下事實，對普通微處理器附加配備基于模的 檢查硬件以增強系統(tǒng)安全性。該冗余硬件可以與主計算單元或者微處 理器并行地執(zhí)行加法、減法、乘法、MAD(乘和加)以及MSUB(乘 和減)運算，并且比較兩個結(jié)果的同余性。在不匹配的情況下，將向 系統(tǒng)報告攻擊。

由于在模運算之后減少了操作數(shù)向量的寬度，檢查單元中的計算 邏輯將不如主計算單元中的計算邏輯那樣復(fù)雜。因此，基于模的檢查 代表了一種經(jīng)濟的、不需要較大芯片面積的解決方案。

顯而易見，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)要計算的數(shù)據(jù)的要求和數(shù)量，可 以選擇微處理器和檢查硬件的精確硬件架構(gòu)。

為了盡可能少地影響原始計算功能，建議在相同層級中將檢查單 元構(gòu)建在主計算單元之外。兩個單元共享所有相關(guān)輸入信號，包括指 令和兩個操作數(shù)。附加地，檢查單元獲得計算單元的結(jié)果輸出作為輸 入。

如果檢查硬件已經(jīng)檢測到同余性不匹配，則向系統(tǒng)報告攻擊。這 意味著，顯示任意錯誤消息并且執(zhí)行例如軟件異常和/或系統(tǒng)復(fù)位。

必須對主計算單元的溢出場景加以特別注意。在該情況中，兩個 單元的結(jié)果將典型地不匹配。如果來自計算單元的溢出狀態(tài)信號可用， 則檢查單元可以使用它來抑制模錯誤狀態(tài)，否則必須針對導(dǎo)致溢出的 軟件代碼部分禁用模檢查。

附圖說明

下面描述本發(fā)明的實施例。附圖示出了：

圖1示出了具有檢查硬件的示意微處理器。

具體實施方式

圖1示出了用于對微處理器1內(nèi)的加法、減法和乘法運算進行基于 模的檢查的總體硬件架構(gòu)，微處理器1的詳細實現(xiàn)方式可以根據(jù)不同的 微處理器類型而變化。為了盡可能少地影響原始計算功能，建議在相 同層級中在主計算單元或者微處理器1之外構(gòu)建檢查單元2。單元1、2 共享所有相關(guān)輸入信號，包括指令和兩個操作數(shù)A、B。附加地，如箭 頭所示，檢查單元2獲得計算單元的結(jié)果輸出作為輸入。

每一次當(dāng)微處理器1接收到指令時，檢查單元2將首先確定是否應(yīng) 當(dāng)對其進行基于模的檢查。如果是，則對兩個操作數(shù)A、B進行模運算， 而通常用其它更簡單的運算來代替實數(shù)除法運算，并且之后根據(jù)指令 類型對其進行加、減或者乘。最終，如果需要，將對結(jié)果再一次進行 模運算。在微處理器1的結(jié)果變?yōu)榭捎弥螅矊ζ溥M行模運算并且與 檢查單元2的結(jié)果進行比較。如果微處理器1用于特定指令的循環(huán)數(shù)量 是固定的，則檢查單元2僅必須等待相同數(shù)量的循環(huán)。否則檢查單元2 可以使用指示運算完成的微處理器1的狀態(tài)信號。在結(jié)果不匹配的情況 中，檢查單元2將使錯誤狀態(tài)輸出有效，以對攻擊進行信號指示。