ATSHA204A加密芯片

1 特性

1 出厂带有9字节的序列号，存储在EEPROM中。
2 可以产生高质量随机数，可以作为设备的加密协议的一部分。
3 支持标准的'挑战-应答'协议。

1.1 名词

1.MAC:message authentication code。消息认证码。

1.2 设备组织

包含两个区块，分为eeprom和sram。

eeprom有664字节，分为这些区：

1.数据区

有512字节，分为16个通用功能，只读或者可读写的每个部分有32字节的内容的块。

每个块可以用来存储keys，校正数据，型号，或者其他信息。每一个块会根据配置区的的内容，有不同的访问权限。

2.配置区

有88字节，包含序列号，id信息，以及数据区的访问权限。配置区图如下：

配置区图例

3 一次性编程区

有64字节，可以存储只读数据，或者单向信息。在锁住OTP区域前，需要使用标准的写命令。这里也是EEPROM的一部分。在出厂的时候，这里面的数据内容全部为1。也就是为0xffffffff。

1.3 设备上锁

有两种不同的锁：
1.锁配置区，这是通过设置LockConfig。
2.锁数据区和一次编程区，这是通过设置LockData。

上面锁的配置是在配置区，使用Lock命令来使能的。一旦上锁，就不能再开锁了。

1.4 SRAM

该芯片包含一个sram数组，可以用来存储输入命令或者输出结果，中间计算值，临时密钥等。临时密钥定义为TempKey，可以作为MAC,HMAC，CheckMAC，GenDig和DeriveKey命令的输入。也可以用来作为数据保护密钥。

1.4.1 TempKey

是一个存储寄存器，可以用来存储来自Nonce,GenDig,CheckMac或者SHA命令等临时密钥。

临时密钥存储寄存器

临时密钥存储寄存器的valid位在如下情况下，会被清零：

1.上电，sleep，电压过低，看门狗超时，篡改检测。在空闲模式下，TempKey的值不消失。

2.在执行除了Nonce或者GenDig命令后，不管是否执行成功，可以使用CheckMac命令清零。除非通信错误，例如crc错误。

3.在转换的过程中出错，或者执行了GenDig或者Nonce命令。

4.执行GenDig会替换前面的Nonce命令的输出，执行Nonce命令也会替换前面的GenDig命令的输出。

2 数据传输

2.1 I2C数据传输

I2C数据通信

ATSHA204A的I2C总线通信数据格式

注意：
在i2c写数据包的过程中，ATSHA204A将第二个字节的数据解释为word address，来表明数据包的功能，如下图所示：

word address数据包作用

2.2 I2C同步

同步过程的执行，需要执行以下步骤：
1.执行标准的i2c软件复位序列，如下：
a.start启动信号。
b.9个周期的SCL，SDA保持高电平。
c.另外一个启动信号。
d.停止信号。

发送完成以上内容之后，才可以发送读序列，如果同步已经完成，ATSHA204A就会给回应ACK。

在ATSHA204A响应了设备地址之后，系统应该复位内部地址计数器。可以通过发送word address 0x00(复位)，紧随着停止条件。

2.如果设备不给响应，它有可能处在asleep状态。在这种条件下，系统应该发送完整的wake序列，然后在上升沿后等待Twhi时间。系统应该发送另外的读序列，如果同步完成，设备就会返回ACK信号。

3.如果设备仍然不回复ACK信号，它有可能处于busy状态，那么需要等待Texec时间，然后再发送读序列，这会给出响应。

3 验证类型

3.1 固定的挑战认证

固定的挑战认证方法模型

AHSHA204A加密芯片的固定挑战认证方式

3.2 随机挑战认证

该方式比固定挑战增加了可变信息的挑战数据。该方式可以让系统防御重放攻击方式。

随机挑战认证理论基础

AHSHA204A随机挑战加密图

3.3 独特的挑战认证

相比固定的挑战认证，只是在每次的请求中加上了一个特殊的挑战。该方式也能方式重放攻击。

独特的挑战认证理论基础

ATSHA204A独特的挑战认证加密

3.4 多元化的密钥认证

多元化的密钥认证能让主机识别特定的器件。那么就可以使用访问列表的方法。

多元化的固定密钥认证理论基础

ATSHA204A的多元化固定密钥认证

多元化的随机密钥验证理论基础

AHSHA204A多元化的随机密钥验证

3.5 例子

固定和随机挑战：

固定随机挑战，主机到从机

固定随机挑战，从机到主机

这种方法，理解起来，加密思路是这样的：

ATSHA204A数据区有512字节，在做加密的时候，只使用512字节的(16片区)*(32)的一个片区，也就是32字节。在做密钥匹配的时候，主机存有密钥，所以自己知道位置。ATSHA204A本身就需要主机通知了，这会塞进I2C数据里面。

1.将密钥通过PC连接器写入ATSHA204A的数据区，总共512字节，然后将芯片锁住，我们只使用了有效的32字节的密钥区。
2.将该密钥写入程序中。
3.主机给从机发送有效的7字节随机码生成请求，然后从机给主机返回数据，有效数据为32字节，该数据称为挑战码。
4.主机将32位有效挑战码发送给从机，从机内部进行计算，返回结果给主机，这个称为响应，有效数据为32字节。
5.主机按照已知的密钥，计算出结果。
6.将4生成的结果和5的结果进行比较，共32位数据，相同则校验通过。否则，失败。

多元随机挑战

多元随机挑战，挑战-响应的次数比较多，列出如下：

主机发送读取命令

主机获取从机响应

主机产生密钥

主机读取状态

主机发送MAC给从机

主机读取从机响应数据

4 命令格式

4.1 命令格式总分布图

格式总图

命令数据包格式

在ATSHA204A接收到该block数据后，会转向busy状态并试图执行命令。在busy的时候，状态或者结果都是不能读取到的。

命令操作码

第一个参数param1

第二个参数param2

block的有效值

4.2 读操作

数据区：
若数据区锁住，该命令会返回错误。否则，对应的SlotConfig将会控制访问的值。
配置区：
该区的数据是永远可读的，不管LockConfig的值是什么。
OTP区：
若OTP区没有锁住，该命令会返回错误。一旦锁住，若OTP不在传统模式，所有的数据都是可读取的。若OTP是在传统的模式，那么只有4个字节的数据可读，为0或者1的地址会返回错误。

具体固定位置的指令图如下：

输入的指令参数

操作码需要为读，值为0x02。第一个参数是区域，分为3个部分。

关于zone encoding我再贴一次图：

zone 编码

5 在树莓派A20上驱动程序编写

5.1 硬件配置

$ cd /home/wityuan/Downloads/MarsBoard-A20-Linux-SDK-V1.1/tools/sunxi-tools/
$ vi sys_config.fex

添加项目：

[atsha204_para]
atsha204_used = 1
si2c_scl = port:PB20<1><default><default><1>
si2c_sda = port:PB21<1><default><default><1>

如下图所示：

Paste_Image.png

上图将PB20，PB21配置为输出。

同时需要去掉本身自带的配置：

原来的配置

要修改为：

修改配置信息

5.2 内核配置

在/linux-sunxi/drivers/char目录下，修改Kconfig文件，添加如下内容：

config ATSHA204
    tristate "Atmel CryptoAuthentication ATSHA204A Device"
    depends on I2C
    default y
    help
      The Atmel CryptoAuthentication ATSHA204A is a full turnkey security device.
      Access to the chip is through a standard I2C interface at speeds up to 1Mb/sec.

在Makefile中添加：

obj-$(CONFIG_ATSHA204)      += atsha204.o