A File Encryption System for USB Memory Device Based on Embedded System of ARM9 Abstract As the threat exists in the storage protection of the present

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1 基 于 ARM9 嵌 入 式 系 统 的 U 盘 文 件 加 解 密 系 统 摘 要 针 对 目 前 USB 移 动 存 储 设 备 在 数 据 安 全 中 存 在 的 漏 洞, 本 文 提 出 了 一 种 新 的 USB 存 储 设 备 数 据 安 全 解 决 方 案 本 系 统 通 过 USB 接 口 连 接 于 计 算 机 与 USB 存 储 设 备 之 间, 对 计 算 机 和 USB 设 备 之 间 传 输 的 数 据 进 行 解 析, 利 用 指 纹 模 块 提 供 的 稳 定 密 钥 加 密 并 转 发 USB 数 据 实 现 文 件 加 密 文 件 名 不 加 密 的 效 果, 使 得 U 盘 中 普 通 文 件 与 加 密 文 件 可 以 共 存, 多 个 用 户 可 以 共 同 使 用 一 块 U 盘 而 无 需 担 心 数 据 泄 露 设 备 具 有 相 对 计 算 机 USB 存 储 设 备 独 立 的 特 点, 无 需 对 两 者 做 任 何 改 动, 保 证 了 对 普 通 U 盘 的 支 持 本 文 选 用 AT91SAM9260 作 为 实 现 平 台, 针 对 嵌 入 式 核 心 板 设 计 了 外 接 电 路, 提 供 了 USB 的 主 从 接 口 RS232 串 口 面 向 指 纹 模 块 的 SPI 接 口 不 使 用 操 作 系 统, 移 植 了 USB 海 量 存 储 协 议 的 主 机 和 从 机 驱 动 上 电 启 动 时, 使 用 bootstrap 直 接 加 载 应 用 程 序, 并 跳 转 执 行 主 从 驱 动 协 同 工 作, 并 添 加 对 FAT32 文 件 系 统 的 识 别, 使 系 统 对 文 件 名 透 明 传 输 的 同 时 对 文 件 数 据 加 密 加 密 算 法 采 用 AES 标 准 CBC 分 组 模 式, 采 用 32 位 快 速 AES 算 法 另 外, 核 心 板 空 余 的 32M 内 存 被 用 来 缓 存 USB 数 据, 对 同 一 数 据 的 再 次 访 问 可 以 直 接 从 内 存 获 取 最 后 通 过 SPI 接 口 同 指 纹 模 块 连 接 在 USB 全 速 设 备 的 基 础 上, 通 过 优 化 软 件, 读 写 分 别 可 以 达 到 550KB/s 和 230KB/s 的 传 输 速 度 关 键 词 :USB 协 议 FAT32 文 件 系 统 文 件 加 密 AES-CBC AT91SAM9260 I

2 A File Encryption System for USB Memory Device Based on Embedded System of ARM9 Abstract As the threat exists in the storage protection of the present USB Mass Storage Device, this article proposes a new method to provide them with security services. All of the packets will be processed when they go through this system, which connects PC and USB Mass Storage Device. Before forwarding them to the USB device, these packets will be chosen to be encrypted using the key provided by the fingerprint module. As a result, when be directly connected, the disk will be found normal with all the directories correctly shown while the contents of certain file are obfuscated. Thus it becomes possible that in such disk coexist the plaintext and the ciphertext and that multi people share one disk without worrying about the privacy. This system is not only relatively independent to the computer and USB Device, but compatible with various USB Memory Devices without any update to PC or USB Device. On the platform of AT91SAM9260, this article designed the extension circuit equipping the core-board with various ports, such as USB HOST&DEVICE port, RS232 and the SPI to fingerprint module. After startup, the system runs directly the Bootstrap which would load the application mainly consisting of the two drivers, USB MSD Host Driver and Device Driver, without any operating systems. With the two drivers cooperating, the system should transmit the directory related data transparently and encrypt the contents of files depending on the knowledge of FAT32 system. And a 32-bit optimized algorithm supports AES and CBC block cipher mode well with a fast run. What s more, sparing 32M memory in SDRAM and using it as a Cache helps to reduce the procedure to fetch it from USB Device when the in Cache data were requested again. At last, the SPI provides the interface to communicate with the fingerprint module. The final data rate can reach 230KB/s while writing and 550KB/s while reading respectively on the full-speed USB port. Keyword: USB Protocol; FAT32 File System; File Encryption; AES-CBC; AT91SAM9260 II

3 目 录 摘 要... I Abstract... II 第 一 章 绪 论 引 言 关 于 本 课 题 的 研 究 本 文 的 研 究 目 标 主 要 工 作 内 容 以 其 创 新 点... 3 第 二 章 总 体 方 案 概 述... 4 第 三 章 硬 件 电 路 设 计... 7 第 四 章 开 发 环 境 的 建 立 第 五 章 AT91SAM9260 的 启 动 第 六 章 USB 透 明 传 输 USB 协 议 规 范 USB 基 础 简 介 USB 设 备 的 枚 举 过 程 CBW 命 令 包 格 式 [1][4] SCSI 命 令 格 式 [19] ARM9 中 USB 的 具 体 实 现 MSDDriver 的 工 作 原 理 USBHostDriver 的 工 作 原 理 文 件 透 明 传 输 的 实 现 ( 主 从 驱 动 互 联 ) 第 七 章 内 存 的 分 配 映 射 及 其 管 理 内 存 的 分 配 内 存 的 映 射 及 管 理 第 八 章 文 件 目 录 簇 的 识 别 FAT32 文 件 系 统 简 介 [5][8] 主 引 导 记 录 区 (MBR) DOS 引 导 记 录 区 (DBR) 文 件 分 配 表 区 (FAT) 数 据 区 (DATA) 数 据 区 中 目 录 簇 的 识 别 [26] 第 九 章 文 件 数 据 的 加 解 密 AES 标 准 [16] CBC 加 密 模 式 [16] 第 十 章 测 试 与 总 结 总 述 AES 加 密 函 数 验 证 性 测 试 传 输 性 能 测 试 第 十 一 章 结 束 语 论 文 总 结 前 景 与 展 望 致 谢 参 考 文 献 (Reference) 附 录 III

4 第 一 章 绪 论 1.1 引 言 在 信 息 技 术 突 飞 猛 进 的 今 天, 人 们 在 享 受 技 术 进 步 的 同 时, 也 要 遭 受 越 来 越 多 的 数 字 危 机 U 盘, 由 于 其 拥 有 容 量 大 体 积 小 价 格 便 宜 等 众 多 优 点, 已 成 为 人 们 移 动 存 储 的 首 选 设 备 因 此 U 盘 的 数 据 安 全 问 题 也 日 益 露 出 水 面 世 界 各 地 关 于 U 盘 数 据 泄 露 的 事 件 层 出 不 穷, 既 有 企 业 私 人 的, 也 有 政 府 军 方 的 这 些 事 件 的 发 生 给 个 人 隐 私 和 集 体 利 益 带 来 了 巨 大 的 损 失 可 移 动 存 储 设 备 的 安 全 现 状 : 目 前 市 场 上 所 见 到 的 U 盘 大 多 不 带 有 任 何 安 全 功 能, 计 算 机 的 文 件 数 据 直 接 经 过 USB 端 口 存 储 到 U 盘 中 的 Flash 芯 片 中, 这 类 U 盘 我 们 称 之 为 普 通 U 盘 在 很 多 场 合, 人 们 并 没 有 意 识 到 存 储 于 U 盘 中 数 据 的 安 全 性, 唯 一 可 以 做 到 的 就 是 尽 量 保 证 U 盘 不 会 丢 失 而 一 般 情 况 下, 丢 失 之 后 的 U 盘 中 存 储 的 数 据 在 他 人 眼 中 变 得 一 览 无 余 同 时 U 盘 互 借 互 拷 也 会 给 攻 击 者 带 来 窃 取 数 据 的 机 会, 随 着 USB 的 数 据 传 输 速 率 的 不 断 提 高, 上 G 字 节 的 数 据 瞬 间 就 可 以 被 攻 击 者 偷 偷 拷 走 现 有 安 全 方 案 概 述 : [6] 1 计 算 机 上 的 安 全 措 施 一 种 方 式 是 通 过 在 操 作 系 统 内 核 中 嵌 入 对 USB 接 口 转 存 数 据 的 安 全 控 制 来 实 现 写 到 磁 盘 上 的 数 据 为 密 文 形 式, 当 需 要 从 磁 盘 上 读 出 数 据 时 做 相 应 的 解 密 工 作 这 种 安 全 机 制 相 当 于 在 磁 盘 前 段 加 入 一 块 加 解 密 装 置, 在 一 定 范 围 内 可 以 保 证 数 据 的 流 通, 通 用 性 强 如 果 使 用 硬 件 电 路 的 方 式 实 现 加 解 密 对 文 件 读 取 速 度 上 的 影 响 也 较 小 但 是 这 种 方 案 需 要 对 操 作 系 统 的 内 核 做 修 改, 或 者 是 对 主 板 的 结 构 进 行 修 改, 工 作 量 大 标 准 得 不 到 统 一, 一 旦 到 了 大 的 范 围 内, 各 种 操 作 系 统 的 计 算 机 之 间 就 无 法 进 行 文 件 的 共 享, 产 生 了 无 谓 的 麻 烦 而 目 前 国 内 使 用 最 多 的 操 作 系 统 Windows 仍 然 是 一 个 商 业 运 作 的 操 作 系 统, 普 通 用 户 无 法 对 其 内 核 进 行 修 改, 使 用 该 种 方 案 对 数 据 保 护 的 用 户 只 能 局 限 在 Linux 几 种 开 放 的 操 作 系 统 下, 故 至 今 未 得 到 广 泛 的 应 用 而 对 主 板 进 行 修 改 费 用 高 难 度 大, 很 难 成 为 普 通 用 户 及 小 公 司 的 首 选 于 是 在 这 种 情 况 下, 很 多 渴 望 数 据 安 全 的 用 户 将 目 光 投 到 了 一 些 加 密 软 件 上, 使 用 折 中 的 办 法 满 足 自 己 的 需 求 通 过 授 权 PC 机 上 的 程 序, 使 其 工 作 在 系 统 层 上, 对 出 入 U 盘 的 数 据 进 行 加 解 密 来 提 高 U 盘 的 安 全 性 能 这 种 加 密 方 式 有 很 多 不 同 的 形 式, 不 论 是 系 统 自 身 安 装 的 软 件 还 是 通 过 移 动 设 备 上 的 autorun 自 动 加 载 的 应 用 程 序, 都 使 用 了 这 种 方 式 这 种 加 密 方 式 经 济 代 价 低 硬 件 上 无 需 做 变 动 但 是 却 缺 乏 通 用 性, 一 般 来 说 各 个 厂 家 提 供 的 软 件 都 各 不 相 同 不 仅 占 用 系 统 资 源, 而 且 还 容 易 受 到 木 马 病 毒 的 威 胁 通 常 来 说, 这 种 加 密 方 式 需 要 手 动 输 入 密 码, 所 以 长 度 有 限 的 字 符 数 字 组 合 很 容 易 被 后 台 运 行 的 木 马 劫 持 1

5 2 可 移 动 磁 盘 上 的 改 动 此 种 方 案 来 自 与 各 大 U 盘 制 造 厂 家, 它 们 的 共 同 点 就 是 加 密 模 块 集 成 在 U 盘 之 上, 使 U 盘 自 身 带 有 保 密 功 能 这 类 方 法 类 似 与 在 计 算 机 中 的 磁 盘 前 段 加 上 加 解 密 模 块 一 样, 只 不 过 将 该 模 块 放 到 了 可 移 动 磁 盘 内 部 Flash 的 前 面 同 样, 这 类 产 品 也 有 很 多 种 不 同 的 模 式, 而 且 大 多 数 U 盘 第 一 次 使 用 时 会 要 求 先 安 装 驱 动 程 序 之 后 每 次 插 入 该 U 盘 之 后, 系 统 自 动 调 用 驱 动 程 序, 开 始 文 件 传 输 但 是 也 有 的 产 品 是 不 需 要 驱 动 的, 但 此 类 也 采 用 autorun 自 动 加 载 应 用 程 序 因 为 病 毒 的 泛 滥, 通 常 autorun 会 被 杀 毒 软 件 认 为 是 可 疑 对 象 而 隔 离 使 用 起 来 带 来 不 必 要 的 麻 烦 同 样 也 会 受 到 病 毒 的 侵 扰 这 些 产 品 将 加 密 过 程 转 由 硬 件 实 现, 但 是 具 体 使 用 的 加 密 标 准 却 不 以 公 开, 无 法 对 其 展 开 理 论 分 析, 安 全 强 度 未 知 [7] 3 独 立 的 加 解 密 设 备 此 种 类 型 加 解 密 设 备 的 典 型 的 例 子 就 是 华 中 科 大 的 基 于 CH375 的 嵌 入 式 USB 文 件 加 解 密 系 统, 这 个 系 统 完 全 与 计 算 机 脱 离, 工 作 时 首 先 将 U 盘 中 的 数 据 全 部 取 出 来, 加 密 之 后 再 写 入 U 盘, 然 后 将 明 文 删 除 总 的 来 说 这 样 的 系 统 有 几 个 缺 点, 首 先 不 是 实 时 的 加 解 密, 每 次 使 用 U 盘 的 前 后 都 必 须 使 用 该 设 备 然 后 将 其 加 解 密 之 后 再 使 用 ; 其 次 是 我 们 知 道 在 删 除 数 据 时 很 难 在 磁 盘 上 不 留 下 痕 迹, 因 为 在 FAT 文 件 系 统 下, 文 件 的 删 除 是 通 过 标 定 目 录 已 删 除 来 实 现 的, 真 实 的 文 件 数 据 并 未 得 到 损 毁 这 种 对 U 盘 文 件 的 处 理 过 程 实 际 上 就 等 价 于 在 计 算 机 平 台 上 一 个 可 以 将 U 盘 中 数 据 取 出 加 密 再 写 入 的 软 件 该 方 案 可 以 使 用 对 计 算 机 和 U 盘 两 者 都 独 立 的 设 备 提 供 数 据 安 全 服 务, 在 思 想 上 有 一 定 的 新 意, 但 是 并 没 有 对 U 盘 数 据 安 全 方 面 的 保 护 起 到 实 际 意 义 上 的 贡 献 近 年 来,U 盘 市 场 上 又 出 现 了 基 于 指 纹 识 别 身 份 认 证 技 术 的 产 品, 硬 件 上 增 加 了 指 纹 识 别 模 块, 但 仍 会 依 赖 一 段 在 PC 上 执 行 的 程 序, 这 段 程 序 或 预 先 安 装 在 PC 上, 或 来 自 U 盘 上 的 某 块 存 储 区 域, 国 内 代 表 作 是 亚 略 特 系 列 U 盘 除 了 解 决 了 无 需 手 动 输 入 密 码 外, 软 硬 结 合 方 案 的 其 他 缺 点 依 旧 没 有 解 决 1.2 关 于 本 课 题 的 研 究 本 课 题 的 主 要 目 标 就 是 整 合 现 有 的 解 决 方 案, 提 炼 出 他 们 的 优 点, 将 其 集 中 到 我 们 所 要 完 成 的 USB 文 件 加 解 密 系 统 在 1.1 节 中 对 计 算 机 的 主 板 甚 至 是 操 作 系 统 所 做 的 改 进 我 们 可 以 拿 到 USB 接 口 外 面 来 完 成 ; 可 以 吸 取 指 纹 U 盘 上 使 用 指 纹 作 为 身 份 认 证 的 高 度 安 全 的 方 案 ; 同 样 把 本 系 统 做 成 一 个 脱 离 于 计 算 机 与 普 通 U 盘 的 独 立 设 备, 这 样 便 可 以 集 多 家 之 长, 完 成 预 定 的 USB 文 件 加 解 密 系 统 本 文 的 研 究 目 标 本 着 一 种 高 度 的 灵 活 性 与 独 立 性 的 设 计 理 念, 本 课 题 所 设 计 的 USB 文 件 加 解 密 系 统 必 然 是 2

6 独 立 于 计 算 机 与 普 通 U 盘 而 单 独 存 在 的 它 通 过 一 主 一 从 两 个 USB 端 口 连 接 于 计 算 机 与 U 盘 之 间, 实 现 透 明 的 数 据 传 输 ( 即 任 何 一 方 都 不 会 感 觉 到 中 间 这 个 加 解 密 设 备 的 存 在 ) 同 时 必 须 做 到 文 件 级 别 的 数 据 加 密, 这 样 就 可 以 在 同 一 磁 盘 中 存 放 多 个 不 同 用 户 的 文 件 和 没 有 加 密 的 文 件 而 相 互 之 间 不 出 现 干 扰, 做 到 高 度 的 灵 活 性 而 另 一 方 面 实 现 指 纹 的 无 模 板 存 储 的 特 殊 处 理, 直 接 由 采 集 到 的 指 纹 图 像 生 成 加 解 密 所 需 要 的 密 钥 而 这 一 过 程 则 需 要 尽 可 能 的 保 证 这 串 密 钥 的 稳 定 性, 否 则 很 可 能 发 生 加 密 后 的 文 件 自 己 也 无 法 打 开 的 尴 尬 情 况 在 以 上 描 述 的 基 础 上, 可 以 得 出 结 论 : 该 系 统 可 以 做 到 只 有 在 U 盘 ( 密 文 ) 手 指 ( 密 钥 ) 加 解 密 装 置 三 者 同 时 存 在 的 情 况 下 才 可 以 在 计 算 机 上 打 开 用 户 存 入 该 U 盘 的 文 件 ; 而 普 通 用 户 也 只 能 浏 览 U 盘 内 的 文 件 名 和 不 同 的 目 录 而 已 主 要 工 作 内 容 以 其 创 新 点 由 于 本 课 题 工 作 量 大, 需 要 大 量 的 理 论 创 新 和 实 践 工 作, 所 以 分 由 三 位 同 学 共 同 完 成 本 文 主 要 负 责 ARM 平 台 上 的 USB 协 议 的 解 析 文 件 级 的 数 据 加 密 以 及 和 负 责 指 纹 图 像 处 理 的 DSP 平 台 之 间 的 接 口 设 计 通 过 对 设 计 目 标 的 进 一 步 分 析, 可 以 将 其 主 要 的 工 作 内 容 概 括 为 一 下 几 个 步 骤 : (1). 掌 握 并 完 成 硬 件 电 路 板 的 制 作 技 术 和 调 试 (2). USB 主 机 设 备 的 工 作 原 理, 以 及 USB 主 从 设 备 间 的 通 信 协 议 (3). 支 持 对 普 通 U 盘 文 件 的 加 解 密, 文 件 名 称 可 见, 内 容 不 可 见, 方 便 文 件 管 理 (4). 基 于 嵌 入 式 的 加 密 算 法 实 现 (5). 连 接 指 纹 模 块 (6). 保 证 对 计 算 机 与 U 盘 的 透 明, 并 支 持 市 场 上 大 多 数 的 通 用 U 盘 主 要 创 新 点 : (1). 采 用 了 独 立 于 U 盘 与 计 算 机 的 设 计 思 想, 采 用 过 滤 的 技 术 实 现 对 原 始 操 作 无 干 扰 的 数 据 加 密 (2). 对 U 盘 中 的 每 一 个 文 件 进 行 加 解 密, 而 不 是 对 整 个 U 盘 加 解 密, 使 用 和 管 理 都 更 为 方 便 3

7 第 二 章 总 体 方 案 概 述 为 了 给 USB 设 备 的 使 用 带 来 最 小 的 影 响, 同 时 又 要 具 备 数 据 加 密 的 功 能, 因 此 将 加 密 设 备 设 计 成 一 个 数 据 过 滤 型 的 设 备 成 为 首 选 所 谓 数 据 过 滤 就 是 将 本 设 备 连 接 于 USB 存 储 设 备 和 计 算 机 之 间, 数 据 的 存 储 读 取 都 必 然 要 通 过 此 设 备, 因 此 也 就 有 可 能 在 使 用 过 程 中, 实 时 的 提 供 数 据 加 密 功 能 借 助 于 ARM 平 台 强 大 处 理 能 力 和 丰 富 的 外 设, 这 部 分 功 能 可 以 在 ARM 平 台 上 实 现, 具 体 芯 片 型 号 选 为 AT91SAM9260. 另 一 方 面 通 过 对 指 纹 信 息 的 读 取, 采 用 先 进 的 图 像 处 理 和 特 征 提 取 的 算 法, 从 指 纹 图 像 中 提 取 出 用 户 的 身 份 信 息, 并 将 其 作 为 密 钥 提 供 给 数 据 加 密 模 块 该 部 分 的 处 理 涉 及 到 大 量 的 浮 点 运 算, 所 以 考 虑 在 DSP 平 台 上 实 现,DSP 与 ARM 之 间 可 以 使 用 SPI 接 口 实 现 简 单 的 通 信 协 议, 完 成 密 钥 的 传 输 实 现 结 构 如 图 1 所 示 图 1 系 统 方 案 图 本 文 的 重 点 工 作 放 在 ARM 平 台 上 的 USB 协 议 解 析 和 文 件 数 据 的 加 密 因 此 可 以 将 此 部 分 的 工 作 分 为 以 下 三 个 主 要 部 分 : [2] 1 USB 协 议 的 解 析 要 在 同 一 系 统 中 配 备 一 主 一 从 两 个 USB 接 口 以 及 对 应 的 驱 动 程 序, 对 计 算 机 伪 装 成 普 通 的 U 盘, 响 应 所 有 的 计 算 机 请 求 ; 对 U 盘 伪 装 成 计 算 机, 根 据 计 算 机 发 来 的 请 求 稍 加 改 动 再 次 转 发 给 U 盘 PC FAT 文 件 系 统 AT91SAM9260 FAT 文 件 系 统 加 密 解 密 FAT 文 件 系 统 U 盘 SCSI 协 议 SCSI 协 议 SCSI 协 议 SCSI 协 议 MSC 子 类 MSC 子 类 MSC 子 类 MSC 子 类 功 能 层 功 能 层 功 能 层 功 能 层 USB 设 备 基 础 设 备 层 设 备 层 设 备 层 设 备 层 物 理 层 物 理 层 物 理 层 物 理 层 图 2 系 统 加 解 密 协 议 栈 4

8 类 似 于 TCP/IP 协 议 层,USB 自 身 也 含 有 类 似 的 协 议, 下 层 为 上 层 提 供 服 务, 逻 辑 层 之 间 互 相 通 信, 真 正 的 数 据 流 都 必 须 通 过 物 理 信 道 图 2 描 述 的 是 整 个 系 统 对 USB 数 据 的 处 理 过 程 ARM 通 过 其 USB 接 口 连 接 到 PC 的 USB 接 口 获 得 底 层 的 差 分 数 据 信 号, 使 其 进 行 转 化 为 可 识 别 [19] 的 数 据 包 CPU 进 行 后 续 解 析, 在 SCSI 层 解 析 出 的 数 据 包 是 包 括 写 入 到 Flash 中 的 数 据 块 地 址 及 其 数 据 长 度 等 信 息, 并 进 一 步 判 断 当 前 数 据 是 否 需 要 加 解 密 调 用 AES 子 程 序, 对 数 据 加 密, 之 后 把 它 按 照 加 密 前 的 方 式 转 发, 在 物 理 层 通 过 USB 的 主 驱 动 程 序 发 送 给 U 盘 图 3 透 明 传 输 示 意 图 另 外 USB 是 一 种 基 于 主 从 结 构 的 总 线 形 式, 总 线 上 的 数 据 传 输 都 必 须 由 主 机 来 发 起, 只 有 通 过 请 求 才 会 产 生 相 应 的 响 应 从 图 3 的 左 图 可 以 看 出 在 数 据 进 行 转 发 过 程 中 会 在 时 间 等 待 上 产 生 一 定 的 代 价, 但 是 在 目 前 的 嵌 入 式 系 统 中 还 存 在 这 一 大 块 没 有 经 过 开 发 利 用 的 内 存, 如 果 将 这 部 分 内 存 开 发 出 来, 存 储 一 些 已 经 通 过 本 设 备 的 数 据, 那 么 下 次 有 相 同 的 请 求 时, 就 没 有 必 要 重 新 到 U 盘 那 边 请 求 数 据, 直 接 可 以 从 内 存 中 取 出, 减 小 时 间 开 销 2 文 件 数 据 的 识 别 在 USB 上 传 输 的 数 据 是 非 常 简 单 的, 主 机 只 通 知 U 盘 该 数 据 要 存 放 在 Flash 的 哪 块 地 址, 这 段 数 据 的 长 度 所 有 的 文 件 系 统 的 结 构 在 操 作 系 统 中 得 到 了 封 装, 不 论 用 户 的 操 作 是 读 写 删 除 还 是 格 式 化, 所 有 的 操 作 在 USB 总 线 上 的 看 到 的 只 会 有 两 种 数 据 的 读 和 写 因 此 要 通 过 被 封 装 了 的 数 据 还 原 出 用 户 的 原 始 操 作 几 乎 变 得 不 太 可 能 但 是 换 一 种 思 维, 实 际 上 的 保 密 只 要 做 到 磁 盘 上 的 文 件 数 据 保 密 便 可 达 到 目 标, 那 么 该 问 题 的 求 解 转 化 成 在 USB 上 传 输 的 数 据 中 文 件 数 据 的 检 测 问 题, 进 一 步 化 简 为 USB 数 据 流 中 目 录 簇 的 识 别 既 然 文 件 系 统 的 组 织 必 须 遵 循 一 系 列 规 则 [5][8], 那 么 这 两 种 数 据 形 式 必 然 有 其 数 字 特 征, 相 比 文 件 数 据, 目 录 簇 的 这 种 特 征 显 然 要 更 加 突 出, 易 于 发 现 3 数 据 加 密 算 法 加 密 算 法 多 种 多 样, 在 本 系 统 中 要 选 择 一 种 快 速 且 安 全 性 高 的 数 据 加 密 算 法 必 然 会 想 到 AES 算 法 在 密 码 学 界,AES(Advanced Encryption Standard) 加 密 算 法 是 美 国 政 府 所 采 用 的 一 种 加 密 标 准, 是 世 界 上 最 流 行 的 对 称 加 密 算 法 之 一, 它 的 安 全 性 可 以 得 到 保 证 另 外 正 因 为 它 5

9 的 广 泛 应 用, 代 码 的 重 新 利 用 可 以 大 大 减 小 项 目 的 开 发 周 期 除 此 之 外, 数 据 加 密 靠 的 不 仅 仅 是 算 法, 同 时 也 需 要 加 密 模 式 的 参 与 本 文 选 用 CBC 分 组 密 码 模 式 最 后, 为 了 更 加 快 速 的 使 系 统 启 动, 考 虑 不 使 用 操 作 系 统, 直 接 加 载 底 层 的 应 用 程 序, 速 度 快 效 率 高 6

10 第 三 章 硬 件 电 路 设 计 基 于 AT91SAM9260 的 ARM 开 发 平 台 已 经 有 着 比 较 成 熟 的 应 用 方 案, 可 以 利 用 实 验 室 现 有 的 硬 件 资 源 来 构 造 本 文 所 需 的 硬 件 平 台 考 虑 到 ARM 核 心 板 部 分 在 各 种 应 用 情 况 下 的 变 化 一 般 不 是 很 大 的 情 况 下, 开 发 人 员 通 常 将 其 做 成 单 独 的 一 个 电 路 模 块, 然 后 根 据 不 同 的 应 用 需 求, 通 过 配 备 不 同 的 底 板 来 扩 展 IO 端 口 和 电 源 模 块 核 心 板, 顾 名 思 义, 就 是 ARM 硬 件 电 路 的 核 心 部 分, 它 包 括 了 内 存 NAND Flash 模 式 选 择 开 关 以 及 必 要 的 电 源 管 理 模 块 相 对 于 底 板, 核 心 板 的 设 计 复 杂 但 相 对 固 定, 通 常 采 用 Atmel 公 司 推 荐 的 配 置 方 式 [20], 因 此 本 毕 设 并 未 涉 及 到 核 心 板 电 路 上 的 设 计 工 作 [21], 只 是 在 此 对 它 做 简 要 的 列 表 说 明 : >> CPU:AT91SAM9260 >> SDRAM:32M 2, 两 片 HY57V 构 成 32bit >> NAND FLASH:128MB, 一 片 K9F1G08 >> RTC:PCF8563T >> JTAG:JTAG 调 试 接 口, 标 准 20PIN >> 电 源 :3.3V 电 源 输 入 和 3V RTC 后 备 电 源 输 入 >> 扩 展 接 口 : 数 据 地 址 总 线 接 口 和 剩 余 GPIO 口 通 过 2 个 80PIN 双 排 插 阵 引 出 根 据 本 毕 设 的 需 求 和 对 核 心 板 硬 件 资 源 的 分 析, 在 底 板 上 必 须 配 备 一 个 电 源 模 块 USB 的 主 从 接 口 用 来 作 为 调 试 工 具 的 串 口 必 要 的 LED 状 态 显 示 以 及 对 外 的 接 口 图 4 电 源 模 块 原 理 图 电 源 管 理 使 用 AP1513 芯 片 产 生 更 加 稳 定 的 5V 电 源, 另 外 还 可 以 从 USB 电 源 中 取 5V 电 源, 该 电 源 通 过 二 极 管 连 到 上 述 电 源 管 理 芯 片 的 输 出, 保 证 在 外 部 电 源 供 电 时,USB 工 作 也 不 会 受 到 影 响 图 5 USB 供 电 在 系 统 中 的 应 用 图 6 5V 到 3.3V 的 电 压 转 化 电 路 7

11 如 图 6 所 示, 使 用 5V 到 3.3V 电 源 转 化, 向 核 心 板 供 电 图 7 USB 接 口 电 路 上 图 为 USB 主 设 备 接 口,5V 电 源 通 过 500mA 的 保 险 丝 介 入, 以 保 护 U 盘 以 及 不 正 确 时 候 时 电 路 的 安 全 下 图 为 USB 从 设 备 电 路, 其 中 VUSB 通 过 10K 电 阻 接 到 ARM 的 A24 引 脚, 该 引 脚 可 以 用 于 检 测 本 设 备 上 端 是 否 有 主 机 供 电 不 论 是 从 口 还 是 主 口,D+ 和 D- 两 根 数 据 线 必 须 根 据 主 芯 片 的 要 求 接 入 必 要 的 电 阻 以 及 旁 路 电 容, 以 提 高 电 路 的 抗 干 扰 性 能 完 整 的 原 理 图 见 附 录 的 图 28, 双 层 PCB 版 图 的 正 面 效 果 见 图 8 图 8 母 板 的 PCB 版 图 8

12 如 图 9 所 示, 为 制 作 完 成 的 硬 件 电 路,ARM 核 心 板 通 过 两 列 细 口 双 插 槽 与 母 板 相 连 接 上 面 分 别 分 布 了 SPI 接 口 ( 连 接 DSP 指 纹 预 处 理 模 块 ) USB 设 备 端 口 ( 作 为 USB 设 备 连 接 到 计 算 机 ) USB 主 机 端 口 ( 作 为 USB 控 制 器 连 接 USB 存 储 设 备 ) SPI 接 口 USB 设 备 端 口 USB 主 机 端 口 口 图 9 电 路 ( 母 板 + 核 心 板 ) 实 物 图 ARM 核 心 板 9

13 第 四 章 开 发 环 境 的 建 立 一 个 完 整 的 开 发 环 境 是 开 发 ARM 应 用 程 序 的 必 要 前 提, 只 有 当 第 一 个 简 单 的 Hello World 成 功 的 出 现 在 电 脑 上 的 时 候, 意 味 着 从 代 码 的 编 写 下 载 程 序 运 行 一 直 到 终 端 显 示 都 能 够 正 常 工 作 了 任 何 复 杂 的 系 统 都 是 构 建 在 这 个 简 单 的 基 础 上 的, 并 且 要 尽 量 使 这 个 过 程 尽 量 的 简 单, 为 以 后 的 调 试 工 作 节 省 下 大 量 的 时 间 本 毕 设 的 开 发 环 境 是 建 立 在 计 算 机 内 部 搭 建 的 虚 拟 局 域 网 上 的, 在 Windows XP 上 进 行 代 码 的 编 辑 和 二 进 制 可 执 行 文 件 的 下 载, 在 Fedora 8 下 对 工 程 文 件 进 行 编 译 连 接 所 有 的 工 程 文 件 存 储 在 Linux 操 作 系 统 中, 通 过 虚 拟 局 域 网, 使 用 Fedora 自 带 的 Samba 服 务 功 能 共 享 工 作 空 间 [21], 并 在 Windows 下 将 共 享 文 件 夹 映 射 成 网 络 驱 动 器, 从 而 实 现 不 同 的 操 作 系 统 和 不 同 的 文 件 系 统 之 间 的 文 件 共 享 功 能 图 10 开 发 环 境 示 意 图 首 先 介 绍 两 款 Windows 下 的 必 备 软 件 :Source Insight 和 SAM-BA Source Insight 是 一 个 面 向 项 目 开 发 的 程 序 编 辑 器 和 代 码 浏 览 器, 它 拥 有 内 置 的 对 C/C++, C# 和 Java 等 程 序 的 分 析 Source Insight 能 分 析 源 代 码 并 在 工 作 的 同 时 动 态 维 护 它 自 己 的 符 号 数 据 库, 并 自 动 为 用 户 显 示 有 用 的 上 下 文 信 息 Source Insight 不 仅 仅 是 一 个 强 大 的 程 序 编 辑 器, 它 还 能 显 示 reference trees,class inheritance diagrams 和 call trees 而 SAM Boot Assistant (SAM-BA ) 则 一 种 提 供 了 在 Windows 下 对 Atmel AT91 ARM 器 件 编 程 的 操 作 十 分 简 单 的 可 视 化 软 件 它 可 以 选 择 通 过 USB 端 口 或 者 更 为 常 用 的 RS232 端 口 对 目 标 设 备 进 行 编 程 它 可 以 定 义 可 执 行 文 件 下 载 的 具 体 地 址, 还 可 以 对 内 存 空 间 的 任 意 位 置 进 行 查 看 考 虑 到 开 发 过 程 中 会 不 得 不 对 大 量 的 现 有 的 USB 驱 动 程 序 源 代 码 的 阅 读, 为 了 更 好 的 了 解 各 种 变 量 的 定 义 和 大 量 的 函 数 间 相 互 调 用 的 复 杂 关 系, 提 高 工 作 效 率,SourceInsight 可 以 说 是 一 款 十 分 符 合 要 求 的 编 辑 器 SourceInsight 编 辑 好 的 源 程 序 通 过 Windows 和 Linux 之 间 的 共 享 通 道, 存 储 到 虚 拟 机 上, 然 后 在 Linux 在 执 行 编 译 命 令 在 Makefile 中 编 写 需 要 编 译 的 源 程 序 和 所 使 用 的 编 译 器 [22], 本 文 所 使 用 的 交 叉 编 译 工 具 Gnuarm3.4.3 为 ATMEL 官 方 推 荐 使 用 的 编 译 器 版 本 编 译 成 功 的 二 进 制 文 件 再 通 过 共 享 通 道 由 Windows 下 的 SAM-BA [23] 下 载 到 目 标 板 上 在 下 一 章, 我 将 详 细 介 绍 可 执 行 的 二 进 制 文 件 下 载 的 地 址 以 及 ARM 启 动 的 详 细 过 程 10

14 第 五 章 AT91SAM9260 的 启 动 首 先 介 绍 一 下 系 统 的 存 储 的 地 址 映 射 图 11 AT91SAM9260 地 址 映 射 简 图 图 11 只 是 列 出 了 前 面 一 部 分 的 存 储 器 地 址 映 射 的 信 息, 从 中 我 们 可 以 看 到 CPU 内 部 已 经 配 备 了 一 个 32K 的 ROM 和 两 个 SRAM,CPU 对 它 们 的 存 储 都 可 以 在 1 个 时 钟 周 期 内 完 成 另 外 在 核 心 板 上 还 有 片 外 的 SDRAM 与 NAND Flash,SDRAM 是 由 两 片 16-bit 的 32M 内 存 通 过 位 扩 展 而 构 成 的 32-bit 的 64M 内 存, 而 NAND Flash 单 片 大 小 为 128M 系 统 具 体 从 以 上 那 么 多 的 存 储 器 中 的 哪 一 个 开 始 启 动 还 要 取 决 于 BMS(Boot Mode Select) 引 脚 的 电 平, 具 体 配 置 见 下 表 CPU 启 动 之 后 总 是 从 0 地 址 开 始 执 行 指 令 的, 所 以 在 REMAP 之 前 会 根 据 BMS 的 情 况 载 入 相 应 的 数 据 到 Boot Memory 中 运 行 一 旦 系 统 启 动 完 成, 重 新 进 行 地 址 映 射 之 后 从 内 部 的 SRAM 启 动 表 1 内 部 存 储 映 射 因 为 核 心 板 EBI_NCS0 上 没 有 挂 载 任 何 存 储 设 备, 所 以 启 动 模 式 BMS 选 择 置 为 高 电 平, 从 固 化 ROM 启 动 ROM 内 部 的 启 动 程 序 要 完 成 的 工 作 以 列 表 的 方 式 罗 列 如 下 1 : (1). 初 始 化 调 试 单 元 的 串 口 (DBGU) 和 USB 设 备 端 口 ( 用 于 进 入 SAMBA 模 式 ) (2). 加 载 ROM 中 的 程 序, 运 行 它 会 从 NAND Flash 中 0 地 址 处 开 始 检 查 是 否 有 8 个 有 效 的 中 断 向 量 存 在 所 有 的 这 些 中 断 向 量 必 须 是 B 跳 转 或 是 LDR 加 载 寄 存 器 指 令 与 其 他 存 储 器 不 同 的 是 NAND Flash 的 第 六 个 中 断 向 量 无 需 指 定 加 载 程 序 镜 像 的 长 度, 因 为 在 NAND Flash 中 每 次 加 载 都 会 拷 贝 4K 程 序 到 片 内 SRAM 中 加 载 完 成 后 重 定 向 地 1 在 DBGU 初 始 化 之 后 实 际 上 还 会 有 关 于 DataFlash 的 检 查 工 作, 具 体 流 程 同 NAND Flash 相 同, 因 为 核 心 板 没 有 配 备 DataFlash, 故 在 次 隐 去 11

15 址, 跳 转 (3). 如 果 没 有 合 法 的 中 断 向 量,SAM-BA 启 动 程 序 被 执 行, 并 等 待 计 算 机 端 通 过 串 口 或 USB 接 口 发 起 SAM-BA 会 话 以 上 工 作 的 具 体 流 程 见 下 图 : Start Init Clock & PLL Init DBGU Init USB Device Port SPI DataFlash Boot Yes Download from DataFlash (NPCS0) RUN No SPI DataFlash Boot Yes Download from DataFlash (NPCS1) RUN No NAND Flash Boot Yes Download from NAND Flash RUN No USB Enumeration Successful? No Character(s) received on DBGU? Yes Run SAM-BA Boot Yes Run SAM-BA Boot 图 12 启 动 程 序 算 法 流 程 从 启 动 的 结 果 来 看, 实 际 上 只 有 两 种 效 果 :1 将 程 序 拷 贝 到 内 部 4KSRAM,REMAP 并 开 始 运 行 ;2 进 入 SAM-BA 模 式 后 者 和 我 们 之 前 介 绍 的 Windows 平 台 上 的 程 序 SAM-BA 有 很 大 关 系,SAM-BA 模 式 通 过 计 算 机 上 运 行 的 一 段 主 机 控 制 程 序 和 另 一 段 在 嵌 入 式 平 台 上 运 行 的 从 机 程 序 的 相 互 配 合 通 信, 可 以 将 计 算 机 上 的 可 执 行 代 码 下 载 到 嵌 入 式 指 定 的 地 址 上 具 体 的 通 道 也 分 为 USB 方 式 和 串 口 方 式, 因 为 串 口 要 留 作 调 试 信 息 的 输 出, 因 此 选 用 USB 电 缆 完 成 程 序 的 下 载 工 作 Boot loader: 从 上 面 的 流 程 可 以 看 到, 在 系 统 REMAP 之 后 程 序 会 跳 转 到 4K 大 小 的 SRAM 中 运 行, 虽 然 SRAM 有 着 很 高 的 存 储 速 度, 指 令 能 够 更 快 的 被 CPU 执 行 但 是 谁 也 不 能 保 证 自 己 的 程 序 能 够 被 限 制 在 4K 的 大 小 之 内, 而 且 一 个 4K 的 程 序 也 不 能 指 望 它 能 够 完 成 多 少 复 杂 的 系 统 功 能 那 么 就 需 要 在 这 4K 大 小 的 空 间 中 再 次 完 成 一 个 跳 转 工 作, 将 程 序 指 针 CP 指 向 到 可 用 范 围 更 加 广 的 内 存 中 去 ( 当 然 这 之 前 需 要 完 成 一 些 必 要 的 系 统 配 置 ) 这 个 工 作 就 是 由 Boot Loader 来 完 成 的 与 操 作 系 统 的 Boot Loader 相 比 [17][18], 这 里 只 需 要 使 用 第 一 级 的 Loader Bootstrap 就 能 完 12

16 成 任 务 因 为 不 需 要 启 动 操 作 系 统,Bootstrap 只 要 能 将 自 己 的 指 针 指 到 应 用 程 序 的 入 口 即 可 首 先 该 Boostrap 要 能 被 启 动 程 序 认 为 是 一 段 能 够 正 确 运 行 的 程 序 才 会 被 拷 贝 到 片 内 内 存, 所 以 它 必 须 是 以 8 个 中 断 向 量 为 开 头 的 因 为 Bootstrap 功 能 比 较 简 单, 用 不 着 处 理 中 断,8 个 中 断 的 存 在 只 是 为 了 被 启 动 程 序 发 现 为 可 用 二 进 制 代 码, 所 以 实 际 上 这 些 中 断 向 量 只 是 指 向 一 个 死 循 环 而 已 它 的 八 个 向 量 分 别 如 下 所 示, 虽 然 在 这 边 用 不 到, 但 是 在 应 用 程 序 中 却 是 中 断 处 理 的 必 由 之 路 _exception_vectors: b reset_vector /* reset */ b undef_vector /* Undefined Instruction */ b swi_vector /* Software Interrupt */ b pabt_vector /* Prefetch Abort */ b dabt_vector /* Data Abort */ b rsvd_vector /* reserved */ b irq_vector /* IRQ : read the AIC */ b fiq_vector /* FIQ */ 然 后 它 要 依 次 进 行 : (1). 堆 栈 初 始 化 (2). 时 钟 配 置 (3). 初 始 化 bss 字 段 (4). 跳 转 到 Bootstrap 的 main 函 数 (5). 从 main 函 数 返 回 并 跳 转 到 目 标 地 址 注 :bss 字 段 是 指 那 些 被 分 配 的 初 始 值 为 0 静 态 变 量 所 对 应 的 地 址, 在 main 开 始 之 前 必 须 将 其 声 明 的 未 赋 初 值 的 静 态 变 量 置 为 0;main 函 数 完 成 对 NAND Flash 的 初 始 化, 并 将 相 应 的 应 用 程 序 从 中 复 制 到 片 外 内 存 中 的 JUMP_ADDR 地 址, 并 将 该 地 址 返 回 以 供 main 函 数 之 前 的 这 段 crt0_gnu 的 汇 编 代 码 跳 转 用 对 程 序 下 载 方 法 所 做 的 改 进 开 发 板 最 初 所 争 对 的 应 用 主 要 是 对 基 于 Linux 操 作 系 统 来 开 发 的, 所 以 在 那 种 情 况 下 Bootstrap 并 不 直 接 引 导 应 用 程 序, 而 是 从 NAND Flash 复 制 一 段 被 称 为 U-Boot 的 程 序 (U-Boot 通 常 和 Bootstrap 共 同 构 成 我 们 所 熟 知 的 二 级 和 一 级 启 动 代 码 Bootloader) 到 片 外 SDRAM 中 的 最 后 一 段 地 址 中, 然 后 跳 转 到 U-Boot 执 行 二 级 启 动 代 码,U-Boot 实 际 上 是 一 段 相 对 比 较 复 杂 的 程 序, 它 能 够 简 单 的 支 持 一 些 命 令 行 Linux 内 核 也 就 是 借 助 U-Boot 才 可 以 被 复 制 到 SDRAM 的 0 地 址 才 能 够 被 正 确 的 运 行 那 么 当 第 一 段 的 Bootstrap 烧 入 到 NAND Flash 的 首 地 址 之 后, 怎 样 才 能 再 次 令 嵌 入 式 系 统 进 入 到 SAM-BA 模 式 呢? 原 来 Bootstrap 除 了 加 在 应 用 程 序 还 有 一 项 功 能 : 每 次 运 行 自 动 扫 描 PC11 引 脚 2, 如 果 该 引 脚 低 电 平, 则 程 序 写 入 一 段 0 到 NAND Flash 的 0 地 址, 这 样 就 可 以 阻 止 下 次 复 2 在 Bootstrap 从 Flash 的 指 定 地 址 载 入 应 用 程 序 或 U-Boot 前 对 NAND Flash 的 初 始 化 函 数 nandflash_hw_init 中 调 用 nand_recovery 实 现 此 功 能 13

17 位 时 电 路 开 始 运 行 程 序, 而 可 以 再 次 进 入 到 SAM-BA 模 式, 在 这 个 模 式 下 可 以 重 新 烧 入 更 新 后 的 程 序 但 这 样 做 的 一 个 缺 点 就 是 每 次 烧 入 程 序 代 码 之 后 都 必 须 重 新 写 入 Bootstrap, 给 程 序 的 调 试 工 作 带 来 了 很 大 的 不 便 表 2 合 法 中 断 向 量 表 地 址 机 器 码 汇 编 语 言 此 外, 由 于 Flash 的 烧 写 次 数 是 有 限 的, 所 以 在 以 上 基 础 上 要 尽 量 减 少 对 Flash 的 写 入 次 数, 并 最 大 程 度 的 使 调 试 过 程 中 程 序 的 烧 写 变 得 简 单 首 先, 每 次 写 入 新 的 程 序 时 都 必 须 进 行 一 次 Bootstrap 的 擦 除 和 写 入, 而 Bootstrap 在 调 试 过 程 中 通 常 是 不 会 被 改 变 的, 所 以 这 个 过 程 确 实 是 一 个 多 余 的 过 程, 它 所 达 到 的 目 标 就 是 进 入 SAM-BA 模 式 而 多 次 的 对 NAND Flash 的 0 地 址 反 复 做 无 意 义 的 擦 出 写 入 很 大 程 度 上 缩 短 了 系 统 的 使 用 寿 命 根 据 CPU 进 入 SAM-BA 模 式 的 流 程, 可 以 看 到 在 检 测 NAND Flash 中 是 否 有 正 确 的 执 行 码 取 决 于 对 前 8 个 中 断 向 量 的 检 测 ( 如 图 13 所 示 ), 可 以 发 现 如 果 在 复 位 的 同 时 人 为 的 对 上 面 读 到 的 数 据 进 行 干 扰 就 可 以 使 CPU 认 为 Flash 中 的 数 据 不 为 可 用 代 码, 最 终 达 到 误 导 CPU 进 入 SAM-BA 模 式 而 无 需 累 赘 的 多 次 重 复 的 对 Bootstrap 的 烧 写 再 看 到 NAND Flash 的 引 脚, 发 现 它 只 是 用 了 一 个 8 位 的 数 据 总 线 [24], 因 此 可 以 在 该 总 线 上 下 功 夫 来 欺 骗 CPU 具 体 的 做 法 是 : 在 复 位 的 同 时 短 接 D7 与 地 线 这 样 做 可 以 方 便 的 解 决 启 动 是 选 择 SAM-BA 还 是 正 常 运 行, 而 且 每 次 仅 需 对 改 动 过 的 代 码 进 行 写 入 就 可 以 了 图 13 核 心 板 中 NAND Flash 电 路 原 理 图 14

18 第 六 章 USB 透 明 传 输 为 了 分 析 出 入 USB 存 储 设 备 的 数 据 流 就 必 须 截 取 所 有 的 通 过 USB 端 口 的 数 据, 因 此 介 于 计 算 机 与 可 移 动 存 储 设 备 之 间 的 加 解 密 装 置 必 须 同 时 具 备 USB 海 量 存 储 设 备 类 所 具 有 的 全 部 功 能, 于 此 同 时 还 要 有 主 动 向 USB 从 设 备 读 写 数 据 的 能 力 本 章 先 从 理 论 上 简 述 USB 以 及 它 的 MSC 子 类 的 基 本 原 理 和 最 基 本 的 命 令 数 据 格 式, 然 后 再 从 实 现 角 度 分 别 讨 论 主 机 驱 动 和 从 机 驱 动 的 实 现, 最 后 论 述 如 何 利 用 在 加 解 密 设 备 中 主 机 驱 动 和 从 机 驱 动 之 间 的 通 信 实 现 文 件 的 透 明 传 输 功 能 的 6.1 USB 协 议 规 范 USB 全 名 为 Universal Serial Bus, 即 通 用 串 行 总 线 它 是 一 种 基 于 主 从 方 式 的 总 线 结 构, 在 本 加 解 密 设 备 中 就 同 时 实 现 了 USB 的 主 从 功 能, 主 从 功 能 分 别 面 向 移 动 存 储 设 备 和 计 算 机 数 据 信 息 通 过 串 行 接 口 引 擎 在 串 行 数 据 和 并 行 数 据 之 间 转 化, 在 物 理 层 上 通 过 一 对 基 于 差 分 曼 彻 斯 特 码 的 差 分 电 流 信 号 传 递 数 据 主 从 设 备 分 别 配 备 了 复 杂 的 USB 硬 件 电 路 以 更 好 更 快 的 实 现 USB 的 数 据 传 输, 同 时 为 上 层 驱 动 和 应 用 程 序 的 编 写 提 供 最 大 的 便 利 USB 基 础 简 介 USB 有 着 自 己 的 一 套 理 论 体 系, 从 物 理 层 一 直 到 上 层 应 用, 从 严 格 规 整 到 灵 活 多 变, 每 一 个 层 次 都 有 一 定 的 规 范 就 USB 自 身 而 言 十 分 复 杂, 很 难 在 篇 幅 有 限 的 地 方 叙 述 清 楚, 在 下 面 的 几 个 小 的 部 分 中 主 要 做 一 些 简 略 的 介 绍, 并 将 文 章 的 主 体 部 分 留 给 如 何 实 现 USB 数 据 的 透 明 传 输 用 有 关 USB 详 细 的 内 容 可 以 参 考 相 关 网 站 USB 的 拓 扑 结 构 图 14 USB 物 理 总 线 的 拓 扑 USB 系 统 在 硬 件 上 主 要 分 为 USB 主 控 制 器 和 USB 设 备 USB 的 主 控 制 器 和 设 备 以 星 型 方 式 排 布, 主 控 制 器 永 远 都 处 于 中 心 节 点 的 位 置, 而 我 们 在 日 常 生 活 中 所 用 的 U 盘 USB 鼠 标 和 键

19 盘 摄 像 头 等 等 都 是 属 于 USB 设 备 USB 的 主 控 芯 片 就 是 通 过 Hub 的 概 念 将 众 多 的 设 备 连 接 成 一 个 星 型 网 络, 每 个 不 同 的 USB 设 备 在 初 始 化 阶 段 都 会 被 分 配 一 个 特 定 的 地 址 以 供 主 机 区 别 既 然 Hub 可 以 扩 展 出 众 多 的 USB 端 口, 那 么 作 为 设 备 的 Hub 可 以 将 这 个 星 型 网 络 向 下 进 行 扩 展 USB 的 拓 扑 结 构 如 图 14 示 USB 的 传 输 速 率 和 传 输 类 型 USB 的 传 输 速 率 分 为 低 速 (Low speed) 全 速 (Full speed) 和 高 速 (High speed) 三 种 模 式, 他 们 的 波 特 率 分 别 为 1Mbit/s 12Mbit/s 和 480Mbit/s 在 USB2.0 的 规 范 中 同 时 规 定 了 这 三 种 速 度 模 式, 并 要 求 在 主 从 设 备 的 速 度 不 同 时, 高 速 设 备 应 该 向 低 速 设 备 靠 拢 通 常 一 个 USB 端 口 的 速 度 上 限 是 由 硬 件 来 决 定 的, 通 过 软 件 的 方 式 通 过 对 程 序 的 优 化 减 少 不 必 要 的 等 待 来 使 得 真 正 的 传 输 的 字 节 数 据 速 率 达 到 最 优 AT91SAM9260 所 配 备 的 两 个 USB 端 口 都 是 属 于 全 速 端 口, 因 此 实 现 的 传 输 波 特 率 为 12Mbit/s. USB 使 用 4 种 数 据 传 输 方 式 分 别 为 控 制 传 输 (control) 中 断 传 输 (interrupt) 批 量 传 输 (bulk) 和 同 步 传 输 (synchronous) 控 制 传 输 是 每 个 USB 设 备 与 主 机 通 信 中 必 须 使 用 的 一 种 传 输 方 式, 也 是 默 认 方 式, 主 机 通 过 控 制 传 输 来 对 设 备 枚 举 配 置 分 配 地 址 并 协 商 下 面 所 使 用 的 传 输 方 式, 因 此 控 制 传 输 在 整 个 对 话 过 程 中 必 须 保 证 不 会 出 错, 否 则 显 出 混 乱 的 系 统 便 无 法 通 过 主 机 的 绝 对 控 制 来 恢 复 正 常 的 通 信 秩 序 ; 中 断 传 输 用 于 小 批 量 非 连 续 和 不 可 预 测 何 时 会 产 生 数 据 的 场 合, 它 只 能 单 向 的 向 主 机 发 送 数 据, 所 以 通 常 用 在 键 盘 鼠 标 等 USB 设 备 中 ; 批 量 传 输 则 是 成 批 量 的 传 输 大 量 数 据, 对 时 间 上 的 要 求 并 不 是 太 高, 通 常 用 在 打 印 机 和 扫 描 仪 等 设 备 中, 而 通 常 所 说 的 USB 移 动 磁 盘 也 是 使 用 该 中 传 输 方 式 进 行 文 件 数 据 传 输 ; 同 步 传 输 要 求 数 据 实 时 并 且 连 续, 它 对 数 据 的 传 输 时 间 要 求 很 高, 主 要 应 用 于 对 数 据 实 时 性 要 求 很 高 的 语 音 业 务 传 输 类 型 USB 的 传 输 事 务 和 数 据 包 一 次 USB 传 输 是 有 一 个 或 多 个 事 务 组 成 的,USB 主 机 和 设 备 之 间 通 过 这 些 事 务 的 里 三 角 湖 来 进 行 通 信 一 个 事 务 大 多 由 主 机 发 起, 主 机 发 送 令 牌 包 (token) 后, 视 情 况 而 定 的 传 输 数 据 包 (data), 该 数 据 包 的 方 向 大 小 通 常 都 是 在 令 牌 包 中 事 先 说 明 的, 最 后 完 成 数 据 传 输 之 后 要 由 接 受 方 是 不 同 的 情 况 发 送 握 手 信 号 (handshake) 以 上 的 这 些 包 都 是 符 合 USB 传 输 数 据 的 定 义 的, 通 过 包 头 的 PID 来 识 别 他 们 具 体 的 类 型 而 通 过 将 多 个 复 杂 的 事 务 组 成 在 一 起 又 可 以 在 USB 上 建 立 起 新 的 传 输 协 议 或 者 说 是 子 类, 海 量 存 储 类 (Mass Storage Class) 就 是 其 中 的 一 种 USB 的 端 点 概 念 从 主 机 发 来 的 数 据 包 根 据 它 们 不 同 的 类 型 发 往 不 同 的 USB 端 点 USB 端 点 是 USB 设 备 特 有 的 一 种 硬 件 的 接 收 发 送 单 元 USB 主 机 与 设 备 之 间 都 是 通 过 端 点 来 传 输 数 据 的 端 点 是 桥 梁 和 纽 带, 不 同 的 端 点 其 传 输 数 据 的 能 力 不 同, 适 于 不 同 的 应 用 场 合 在 Bulk Only Transportation 的 海 量 存 储 实 现 规 范 中, 使 用 了 三 个 端 点, 他 们 分 别 是 控 制 端 点 数 据 输 出 端 点 和 数 据 输 入 端 16

20 点 控 制 端 点 可 以 用 于 控 制 命 令 的 输 出, 配 置 信 息 的 输 入 和 输 出, 它 通 常 表 示 为 0 端 点, 这 个 端 点 的 流 向 是 双 向 的, 不 会 出 现 STALL 的 状 态, 它 负 责 设 备 的 配 置 交 互, 最 大 信 息 包 64 字 节 输 入 输 出 端 点 负 责 数 据 的 输 入 输 出, 他 们 都 是 单 向 的 只 能 负 责 输 出 或 者 输 入, 最 大 信 息 包 64 字 节 (USB 全 速 设 备 ) 表 3 BOT 端 点 的 属 性 端 点 传 输 类 型 端 点 类 型 传 输 方 向 最 大 传 输 包 0 控 制 输 入 输 入 默 认 控 制 输 出 输 出 64Byte 1 数 据 输 出 普 通 输 出 64Byte 2 数 据 输 入 普 通 输 入 64Byte USB 设 备 的 枚 举 过 程 枚 举 过 程 定 义 为 : 当 设 备 插 入 系 统 时, 主 机 对 设 备 进 行 配 置, 获 取 USB 设 备 的 各 种 描 述 ( 包 括 设 备 描 述 配 置 描 述 Bulk Only 数 据 接 口 描 述 Bulk-In 端 点 描 述 Bulk-Out 端 点 描 述 和 字 符 描 述, 这 些 描 述 相 互 之 间 的 关 系 如 图 15 所 示 ), 这 也 就 是 USB 设 备 为 什 么 可 以 热 插 拨 的 原 因 USB 设 备 可 分 为 以 下 几 类 : 显 示 器 通 讯 设 备 音 频 设 备 人 机 输 入 海 量 存 储 特 定 类 的 设 备 又 可 划 分 成 子 类 枚 举 使 得 主 机 可 以 精 确 定 位 USB 设 备 类 型, 搜 索 相 应 的 驱 动 程 序 Device Descriptor Configuration Descriptor Configuration Descriptor Interface Descriptor Interface Descriptor Endpoint Descriptor Endpoint Descriptor Endpoint Descriptor 图 15 USB 描 述 的 层 次 结 构 为 了 更 加 清 晰 的 演 示 在 USB 设 备 插 入 主 机 时 的 枚 举 过 程, 这 里 简 要 的 引 用 BUSHOUND 软 件 截 取 的 一 段 U 盘 的 枚 举 示 例, 并 加 以 解 释 Device18 即 代 表 该 U 盘 在 本 地 计 算 机 上 获 得 的 USB 通 信 的 地 址 为 18, 而 后 面 的 跟 的 0 代 表 现 在 他 们 正 在 使 用 0 端 点 进 行 通 信 上 面 一 行 是 计 算 机 给 U 盘 发 送 设 备 描 述 (device description) 请 求 (CTL 代 表 控 制 传 输 方 式 ), 并 规 定 设 备 应 该 返 回 0x12 字 节 的 数 据 然 后 U 盘 回 复 了 自 己 17

21 的 设 备 描 述, 其 中 带 有 信 息 包 括 USB 版 本 最 大 包 大 小 USB-IF 分 配 的 制 造 商 ID 厂 商 分 配 的 产 品 ID 设 备 发 行 时 的 设 备 号 等 等 主 机 请 求 配 置 描 述 (configuration description), 长 度 要 求 为 9Bytes, 设 备 返 回 的 信 息 包 括 真 正 的 配 置 描 述 长 度 接 口 数 配 置 值 设 备 的 最 大 消 耗 电 流 等 这 次 根 据 上 次 返 回 的 真 正 的 配 置 描 述 长 度 为 0x20 重 新 请 求 32 字 节 的 配 置 描 述, 这 个 配 置 描 述 实 际 上 还 包 括 了 接 口 描 述 (Interface Description) 和 输 入 数 据 端 点 输 出 数 据 端 点 描 述 (Endpoint Description) 这 些 描 述 中 间 就 规 定 了 该 设 备 是 一 个 海 量 存 储 设 备 (Mass Storage Device) 使 用 的 数 据 传 输 的 方 式 ( 在 移 动 存 储 设 备 中 采 用 批 量 传 输 ) 这 段 主 机 开 始 询 问 设 备 的 字 符 串 描 述 (String Description) 信 息, 其 总 往 来 了 好 几 个 回 合, 分 别 在 问 询 交 换 的 语 言 ( 一 般 都 采 用 国 际 通 用 的 英 文 ) 设 备 的 序 列 号 5B EE( 由 Unicode 码 的 形 式 给 出 ) 从 右 边 的 信 息 可 以 看 到 此 时 计 算 机 大 概 已 经 知 道 这 个 具 体 是 什 么 设 备, 用 什 么 驱 动 来 进 行 交 互 了, 所 以 开 始 对 设 备 进 行 配 置 : 设 置 配 置 (Set Configuration) 设 置 接 口 (Set Interface) 获 取 最 大 逻 辑 单 元 数 (Get Max LUN) 至 此 通 过 0 端 点 所 传 输 的 控 制 的 控 制 过 程, 即 枚 举 过 程, 都 已 经 结 束 了 这 里 只 是 简 要 介 绍 了 枚 举 过 程 中 设 备 和 计 算 机 之 间 到 底 发 生 了 什 么 事 情, 具 体 的 这 些 描 述 的 严 格 的 格 式 可 以 参 见 附 录 和 相 关 网 站 [1][4] CBW 命 令 包 格 式 在 完 成 U 盘 的 枚 举 过 程 之 后, 识 别 出 为 Bulk-Only 的 Mass Storage 设 备, 然 后 即 进 入 Bulk-Only 传 输 方 式 在 此 方 式 下, 计 算 机 与 U 盘 之 间 所 有 数 据 均 通 过 Bulk-In 和 Bulk-Out 来 进 行 传 输, 不 再 通 过 控 制 端 点 (0 端 点 ) 传 输 任 何 数 据 在 这 种 传 输 方 式 下, 有 三 种 类 型 的 数 据 在 USB 和 设 备 之 间 传 送,CBW CSW 和 普 通 数 据 CBW(Command Block Wrapper) 是 从 USB Host 发 送 到 设 备 的 命 令, 命 令 格 式 遵 从 接 口 中 的 binterfacesubclass 所 指 定 的 命 令 块, 这 里 为 SCSI 传 输 命 令 集 USB 设 备 需 要 将 SCSI 命 令 从 18

22 CBW 中 提 取 出 来, 执 行 相 应 的 命 令, 完 成 以 后, 向 Host 发 出 反 映 当 前 命 令 执 行 状 态 的 CSW(Command Status Wrapper),Host 根 据 CSW 来 决 定 是 否 继 续 发 送 下 一 个 CBW 或 是 数 据 Host 要 求 USB 设 备 执 行 的 命 令 可 能 为 发 送 数 据, 则 此 时 需 要 将 特 定 数 据 传 送 出 去, 完 毕 后 发 出 CSW, 以 使 Host 进 行 下 一 步 的 操 作 USB 设 备 所 执 行 的 操 作 可 用 图 16 描 述 Ready Command Transport (CBW) Data-Out (from host) Data-In (to host) Status Transport (CSW) 图 16 命 令 数 据 状 态 流 程 图 在 流 程 图 中 包 括 了 三 种 形 式 的 数 据 包,USB 的 设 备 层 统 一 将 他 们 看 成 数 据, 不 加 区 分 的 进 行 传 输, 而 在 功 能 层 上 才 开 始 区 分 这 三 种 不 同 形 式 不 同 功 能 的 数 据 包 表 4 CBW 格 式 [9][4] 字 节 值 0-3 0x dcbtag 8-11 要 传 输 的 数 据 长 度 12 bmcbwflags 13 bcbwlun 14 命 令 字 的 长 度 CBWCB 如 表 4 CBW 命 令 包 格 式, 其 中 0x 表 示 当 前 发 送 的 是 一 个 CBW;dCBWTag 的 内 容 需 要 原 样 作 为 dcswtag 再 发 送 给 Host;bmCBWFlags 反 映 数 据 传 输 方 向 ;bcbwlun 为 零 ; bcbwcblength 为 本 次 命 令 字 的 长 度 ;CBWCB 即 为 真 正 的 传 输 命 令 集 的 命 令 得 到 一 个 CBW 后, 解 释 出 CBWCB 中 所 代 表 的 命 令, 并 向 USB Hosting 发 送 CSW 来 反 映 命 令 执 行 的 状 态 dcswsignature 的 内 容 为 0x ,dCSWTag 即 为 dcbwtag 的 内 容,dCSWDataResidue 还 需 要 传 送 的 数 据, 此 数 据 根 据 dcbwdatatransferlength 减 去 本 次 已 经 传 送 的 数 据 得 到 Host 端 根 据 此 值 决 定 下 一 次 CBW 的 内 容, 如 果 没 有 完 成 则 继 续 ; 如 果 命 令 正 确 执 行,bCSWStatus 返 回 0 即 可 按 这 个 规 则 组 装 好 CSW 后, 通 过 Bulk-In 端 点 将 其 发 出 即 可 [19] SCSI 命 令 格 式 USB 是 随 机 存 取 基 于 扇 区 存 储 的 设 备, 接 口 遵 循 SCSI-2 标 准 的 直 接 存 取 存 储 设 备 协 议 在 节 中 介 绍 的 BOT(Bulk-Only Transportation) 协 议 的 CBW 数 据 包 中 有 一 个 长 度 为 6 到 12 不 等 的 字 段 CBWCB, 其 传 输 的 就 是 SCSI 命 令 19

23 SCSI 命 令 集 是 一 套 能 够 完 成 对 一 般 外 接 存 储 系 统 设 备 的 存 取 配 置 检 查 等 任 务 的 完 备 指 令 集 SCSI 拥 有 的 这 套 指 令 集 有 很 多 指 令, 不 同 的 版 本 分 别 用 在 光 驱 硬 盘 软 驱 等 设 备 的 控 制 中, 表 5 列 出 的 7 条 指 令 已 经 可 以 完 全 实 现 USB 存 储 设 备 的 操 作 了, 这 一 特 性 大 大 减 小 了 设 备 设 计 的 难 度 与 复 杂 度 表 5 MSC 基 本 SCSI 命 令 集 命 令 描 述 INQUIRY 查 询 设 备 的 详 细 信 息, 如 生 产 厂 家 序 列 号 等 PREVENT-ALLOW MEDIUM REMOVAL READ CAPACITY(10) READ(10) REQUEST SENSE TEST UNIT READY WRITE(10) 禁 止 或 允 许 取 走 U 盘 读 取 Flash 容 量, 扇 区 大 小 以 及 总 扇 区 数 输 入 要 读 取 的 数 据, 从 Flash 读 出 请 求 判 断, 用 于 发 生 错 误 时 系 统 自 我 纠 正 测 试 单 元 准 备, 电 脑 通 过 此 命 令 保 持 U 盘 一 直 处 于 激 活 状 态 提 供 Flash 地 址, 向 Flash 写 数 据 在 这 7 条 指 令 中,READ10 和 WRITE10 是 两 个 十 分 重 要 的 指 令, 文 件 的 读 写 等 各 种 对 磁 盘 的 操 作 基 本 上 全 部 由 这 两 条 指 令 来 完 成 的 故 在 此 要 简 要 的 介 绍 一 下 READ10 命 令 的 详 细 格 式, 因 为 后 面 的 内 容 会 讨 论 到 这 两 个 命 令 表 6 READ10 Command 在 该 命 令 中 0 字 节 0x28 是 READ10 的 编 码,1 6 9 三 个 字 节 是 用 来 对 数 据 传 输 做 一 些 具 体 的 控 制, 但 是 一 般 不 会 使 用 2~5 这 4 个 字 节 作 为 一 个 32bit 长 整 型 数 据 指 定 了 逻 辑 块 地 址, 它 的 以 扇 区 为 单 位, 所 以 在 寻 址 能 力 上,USB 的 存 储 器 可 以 支 持 大 到 2TG 的 容 量 空 间 ( 扇 区 的 大 小 规 定 为 512Byte) 7~8 的 2 个 字 节 作 为 一 个 16bit 数 据 指 定 传 输 数 据 的 大 小, 同 样 这 个 值 的 单 位 也 是 扇 区, 虽 然 该 值 最 大 可 以 达 到 255, 但 是 在 现 实 应 用 中, 通 常 不 会 大 于 0x0008, 即 最 多 一 次 传 输 4KB 的 数 据 表 7 WRITE10 Command 如 果 要 实 现 WRITE10 实 际 上 在 READ10 的 基 础 上 只 要 将 传 输 方 向 加 以 改 变, 而 上 述 的 逻 辑 20

24 块 地 址 和 传 输 长 度 的 定 义 仍 然 是 我 们 最 关 心 的 两 个 参 数 通 过 分 析, 可 以 看 到 在 操 作 系 统 对 一 个 磁 盘 做 读 取 操 作 时, 底 层 硬 件 上 看 到 的 仅 仅 是 系 统 所 读 数 据 的 地 址 和 大 小, 而 对 数 据 的 内 容 是 什 么 不 加 以 关 心 即 使 是 一 般 的 删 除 操 作, 操 作 系 统 所 做 的 工 作 也 就 是 向 要 被 删 除 数 据 的 区 域 写 入 一 串 零 而 已 这 就 给 后 面 文 件 系 统 中 目 录 数 据 的 识 别 带 来 了 难 度 这 部 分 的 内 容 在 第 八 章 有 详 细 的 介 绍 最 后 给 出 BOT 传 输 开 始 阶 段 的 示 例, 紧 接 在 USB 枚 举 后 面 数 据 传 输 的 过 程 表 8 CBW 数 据 包 传 输 示 例 上 面 三 个 框 圈 住 的 分 别 执 行 了 INQUIRY READ CAPACITY10 和 READ10: INQUIRY 命 令 READ CAPACITY10 READ10 返 回 Kingston DataTraveler 2.0PMAP; 返 回 磁 盘 的 大 小 :0x1DCFFF 个 扇 区, 扇 区 大 小 :0x0200Byte 读 取 逻 辑 地 址 为 0, 长 度 为 1 个 扇 区 的 数 据 ( 数 据 太 多, 图 中 仅 显 示 开 头 的 部 分 数 据 ) 之 后, 操 作 系 统 会 逐 个 读 取 扇 区, 包 括 了 MBR FAT1 FAT2 和 根 文 件 目 录 6.2 ARM9 中 USB 的 具 体 实 现 本 小 节 详 细 介 绍 了 系 统 如 何 实 现 USB 协 议, 包 括 了 主 机 驱 动 和 设 备 驱 动 两 个 部 分, 这 两 个 部 分 有 着 很 大 的 工 作 量, 代 码 的 实 现 工 作 也 很 大 程 度 上 依 赖 于 开 源 项 目 芯 片 制 造 商 ATMEL 公 司 在 硬 件 的 软 件 化 包 装 上 也 给 编 程 实 现 带 来 了 很 大 的 便 利 他 所 提 供 的 at9lib_softpack_1.5 很 好 的 将 对 硬 件 的 操 作 封 装 成 函 数 的 调 用, 在 开 发 文 档 给 予 了 很 详 细 的 说 明, 在 一 定 程 度 简 化 开 发 过 程, 提 高 嵌 入 式 应 用 程 序 的 可 重 用 性 如 图 17 所 示, 在 现 有 的 基 础 上 进 行 开 发, 只 有 在 保 证 主 机 程 序 和 设 备 驱 动 可 以 分 别 正 确 的 运 行 才 有 成 功 的 将 二 者 结 合 起 来 的 可 能 21

25 U-boot USBHost Driver ATMEL USBDDriver Interface Modification at91lib_softpack_1.5 AT91SAM9260&Hardware 图 17 软 硬 件 层 次 架 构 图 MSDDriver 的 工 作 原 理 本 模 块 原 型 来 自 于 ATMEL 公 司 网 站, 作 为 该 款 芯 片 的 一 个 示 例 程 序, 它 可 以 将 核 心 板 上 的 64M 内 存 开 发 出 来, 做 成 一 个 大 小 不 超 过 60M 的 移 动 磁 盘 当 然 作 为 一 个 磁 盘, 必 须 以 非 易 失 性 存 储 介 质 存 储 数 据, 而 这 里 使 用 SDRAM 只 是 为 了 一 个 演 示 效 果 但 正 是 因 为 这 里 内 存 的 时 候, 可 以 考 虑 在 连 接 主 从 驱 动 时, 将 内 存 作 为 一 个 简 单 的 cache 来 使 用, 以 减 少 真 正 从 U 盘 中 读 取 数 据 的 机 会 本 部 分 要 做 的 内 容 即 将 以 上 所 述 的 原 理 予 以 实 现, 所 以 同 样 分 成 两 个 部 分 考 虑, 分 别 是 枚 举 和 数 据 传 输 1 USB 设 备 驱 动 的 枚 举 过 程 当 设 备 插 入 计 算 机 的 一 瞬 间, 便 需 要 进 入 这 个 状 态 所 以 应 用 程 序 启 动 之 后 的 操 作 步 骤 如 下 : (1). 对 USB 进 行 初 始 化 ; (2). 拉 高 D+ 数 据 线, 通 知 计 算 机 有 USB 设 备 接 入, 可 以 开 始 枚 举 ; (3). 等 待 SET CONFIGURATION 请 求, 该 请 求 标 志 着 枚 举 的 成 功, 设 备 和 计 算 机 之 间 的 交 互 可 以 进 入 下 一 个 阶 段 第 3 个 等 待 的 步 骤 是 由 While 循 环 完 成, 不 断 的 检 查 是 否 已 经 得 到 SET CONFIGURATION 请 求 在 While 循 环 过 程 中, 通 过 中 断 处 理 USB 总 线 上 的 其 他 控 制 请 求 2 MSDDriver 状 态 机 实 现 枚 举 任 务 完 成 之 后, 对 USB 来 说 系 统 便 进 入 了 纯 数 据 的 传 输 阶 段, 但 是 这 些 数 据 又 遵 循 了 MSD 协 议, 满 足 CBW CSW 等 格 式 的 要 求 所 以 在 实 现 普 通 U 盘 功 能 时 需 要 借 助 状 态 机 实 现 图 16 所 示 的 命 令 数 据 和 状 态 的 流 程 图 如 图 18 所 示, 将 状 态 改 变 及 相 关 操 作 描 述 如 下 : (1). 初 始 化 后 的 默 认 状 态 为 READ_CBW, 此 状 态 一 直 要 保 持 到 USB 总 线 上 出 现 数 据 传 输 ; (2). 在 WAIT_CBW 状 态, 顾 名 思 义 为 等 待 CBW 传 输 完 毕 后 转 入 下 一 状 态 ; (3). 在 PROCESS_CBW 状 态, 需 要 检 查 接 收 到 的 CBW 数 据 是 否 满 足 上 文 中 CBW 的 标 准, 即 以 0x 开 头 长 度 为 31 字 节 然 后 进 一 步 检 查 SCSI 命 令 的 合 法 性, 最 后 根 22

26 据 具 体 的 命 令 调 用 不 同 的 函 数 执 行 该 状 态 一 直 要 保 持 到 CBW 请 求 的 数 据 发 送 完 毕 或 接 受 完 毕 才 可 以 转 到 SEND_CSW 图 18 MSDDriver 的 数 据 传 输 阶 段 状 态 图 (4). SEND_CSW, 在 此 状 态 检 查 PROCESS_CBW 的 执 行 结 果, 根 据 执 行 情 况 选 择 相 应 的 状 态 发 送 给 主 机 ; (5). WAIT_CSW 等 待 CSW 状 态 传 输 完 毕, 转 到 下 一 个 会 话 USBHostDriver 的 工 作 原 理 ARM 芯 片 中 的 USB 主 口 服 从 OHCI(Open Host Control Interface) 的 标 准,OHCI 主 要 面 对 的 对 象 为 USB2.0 的 全 速 设 备 和 低 速 设 备 用 于 USB 的 OHCI 规 范 是 USB 主 机 控 制 器 的 寄 存 器 描 述, 该 标 准 的 使 用 使 得 硬 件 制 造 商 在 满 足 USB 协 议 的 同 时, 面 对 用 户 也 有 了 一 个 统 一 的 通 过 寄 存 器 描 述 的 接 口, 只 要 改 动 OHCI 驱 动 寄 存 器 的 偏 移 地 址 便 可 以 使 USB 主 机 驱 动 成 功 的 移 值 OHCI.C 提 供 了 非 常 方 便 的 外 部 接 口 以 供 调 用 USB 的 主 机 驱 动 分 成 三 个 层 次, 由 上 到 下 分 别 为 :Usb_storage.c Usb.c Usb.ohci.c 其 中 Usb.c 提 供 了 两 个 非 常 重 要 的 接 口 函 数 : int submit_bulk_msg(*dev, pipe, *buffer, transfer_len); int submit_control_msg(*dev, pipe, *buffer, transfer_len, devrequest *setup); 它 们 分 别 实 现 批 量 传 输 和 控 制 传 输, 有 了 这 两 个 关 键 的 函 数 才 使 得 Usb_storage.c 中 各 种 复 杂 的 功 能 得 以 实 现 主 机 对 U 盘 的 访 问 和 U 盘 响 应 主 机 的 步 骤 完 全 一 致, 只 不 过 一 个 处 于 主 动 的 地 位 而 另 一 个 被 动 首 先 同 样 是 对 USB 进 行 初 始 化, 然 后 扫 描 设 备, 这 里 的 USB 主 控 器 默 认 是 一 个 Hub, 所 有 的 USB 设 备 如 果 连 接 到 USB 接 口, 那 么 它 们 以 树 形 的 方 式 结 合 起 来 驱 动 中 含 有 大 量 的 结 构 体 定 义, 以 对 设 备 的 属 性 中 包 含 的 各 种 参 数 进 行 存 储 6.3 文 件 透 明 传 输 的 实 现 ( 主 从 驱 动 互 联 ) 在 简 要 的 介 绍 完 主 机 驱 动 和 从 机 驱 动 的 实 现, 需 要 对 如 何 将 两 者 进 行 合 并, 在 同 一 个 系 统 中 系 统 工 作, 对 USB 数 据 流 进 行 分 析 转 发 等 工 作 做 一 些 详 细 的 介 绍 因 为 不 管 是 主 设 备 还 是 从 设 备, 整 个 通 信 过 程 必 须 分 为 两 个 部 分, 首 先 是 枚 举, 然 后 是 数 据 传 输, 所 以 在 联 合 主 从 驱 23

27 动 时 也 必 须 对 这 两 部 分 分 别 给 予 考 虑 1 枚 举 阶 段 枚 举 阶 段 主 要 是 对 设 备 的 各 种 属 性 参 数 的 问 询, 此 过 程 因 为 实 时 性 不 是 很 强, 故 可 以 分 开 进 行, 即 先 对 U 盘 进 行 枚 举, 将 枚 举 完 成 所 获 得 的 结 果 赋 给 加 解 密 设 备 的 USB 从 机 驱 动 的 相 关 变 量, 使 得 不 论 是 什 么 U 盘, 通 过 加 解 密 设 备 之 后 在 计 算 机 上 看 到 的 能 和 直 接 连 接 计 算 机 的 效 果 相 同 图 19 主 机 驱 动 中 设 备 的 信 息 描 述 结 构 体 定 义 如 图 19 所 示, 为 加 解 密 设 备 对 U 盘 完 成 枚 举 后 能 够 得 到 的 设 备 信 息, 这 些 信 息 就 是 上 文 中 所 说 必 须 转 移 到 USB 从 机 驱 动 中 的, 使 计 算 机 同 样 能 看 到 加 解 密 设 备 上 的 USB 存 储 器 的 参 数 2 数 据 传 输 阶 段 如 表 5 所 示, 其 中 的 两 个 命 令 READ10 WRITE10 负 责 了 全 部 的 数 据 传 输 的 任 务, 所 以 在 数 据 传 输 阶 段 要 做 的 工 作 便 将 是 这 些 命 令 传 递 到 USB 存 储 器 上 USBDDrive 的 状 态 机 在 读 到 READ10 命 令 时 会 调 用 SBC_Read10 函 数, 在 其 处 理 READ10 时 也 用 到 了 状 态 机 的 形 式, 因 此 在 对 SBC_Read10 改 写 时, 最 大 可 能 的 遵 循 了 原 来 的 结 构, 保 证 最 小 的 改 动, 它 的 实 现 如 图 20 所 示 : 图 20 透 明 传 输 READ10 状 态 图 图 21 透 明 传 输 WRITE10 状 态 图 (1). READ: 调 用 submit_bulk_msg 函 数, 想 U 盘 下 达 读 取 计 算 机 要 求 的 数 据 命 令 因 为 24

28 USB 主 机 驱 动 的 函 数 会 阻 塞 至 传 输 完 成, 所 以 在 完 成 传 输 之 后, 程 序 会 立 即 判 断 该 数 据 是 否 需 要 加 密, 如 果 需 要 执 行 加 密 子 程 序 (2). WAIT_READ: 等 待 U 盘 返 回 数 据 传 输 完 成, 实 际 上 这 个 状 态 一 跳 而 过, 因 为 上 一 个 状 态 READ 调 用 的 读 取 函 数 一 直 会 阻 塞 到 数 据 传 输 结 束 (3). WRITE: 将 内 存 中 的 数 据 发 送 给 计 算 机, 该 过 程 并 不 阻 塞 调 用 完 相 关 函 数 立 即 转 到 WAIT_WRITE 状 态 (4). WAIT_WRITE: 等 待 USB 数 据 传 输 完 毕 (5). NEXT_BLOCK: 因 为 如 果 一 次 性 计 算 机 要 求 的 数 据 量 太 大, 而 超 过 了 USB 的 一 次 性 传 输 的 能 力, 则 数 据 会 分 为 多 个 BLOCK 分 别 进 行 传 输 通 常 情 况 该 状 态 不 会 使 用 到, 而 是 由 上 一 状 态 直 接 开 始 下 一 个 READ10 的 命 令 周 期 WRITE10 命 令 的 处 理 过 程 与 READ10 类 似, 此 不 再 赘 述, 状 态 如 图 21 所 示 25

29 第 七 章 内 存 的 分 配 映 射 及 其 管 理 对 一 个 存 储 设 备 来 说, 传 输 速 率 是 个 至 关 重 要 的 性 能 指 标, 提 高 数 据 传 输 的 速 率 的 手 段 通 常 有 两 个 : 一 是 通 过 不 断 的 优 化 程 序 的 方 式 来 提 高 速 度, 这 种 方 法 在 程 序 架 构 和 算 法 确 定 之 后 基 本 上 没 有 多 少 提 升 的 空 间 ; 二 是 通 过 减 少 对 存 储 器 的 访 问 的 机 会 本 章 要 讨 论 的 问 题 就 是 怎 样 通 过 开 辟 内 存 的 方 式 来 在 现 有 的 基 础 上 提 高 数 据 传 输 的 速 度 众 所 周 之, 在 计 算 机 系 统 中 CPU 速 度 最 快, 而 计 算 机 的 整 体 性 能 并 不 仅 仅 取 决 于 CPU 的 处 理 能 力, 还 在 于 访 问 存 储 器 的 平 均 时 间 如 果 一 个 快 速 的 CPU 配 上 了 一 个 很 慢 的 硬 盘, 那 么 大 量 的 可 以 用 在 计 算 上 的 时 间 都 在 CPU 等 待 硬 盘 相 应 数 据 中 度 过 了 同 样 的 对 于 嵌 入 式 系 统 而 言, 在 这 里 的 传 输 速 度 很 大 程 度 的 取 决 于 对 U 盘 的 访 问 次 数 例 如, 计 算 机 要 从 U 盘 中 读 取 数 据, 加 解 密 设 备 收 到 命 令 之 后 要 对 U 盘 进 行 访 问, 从 U 盘 那 里 先 取 得 这 串 数 据, 然 后 再 转 发 给 计 算 机 在 这 之 间 如 果 不 算 控 制 和 命 令 解 析 的 处 理 时 间, 整 体 的 传 输 速 度 是 计 算 机 直 接 访 问 U 盘 的 时 间 还 要 加 上 命 令 从 计 算 机 到 加 解 密 设 备 和 数 据 从 加 解 密 设 备 传 回 计 算 机 的 两 个 时 间 因 此 真 实 的 传 输 速 率 大 概 会 成 为 直 接 传 输 速 度 的 一 半 左 右 但 是 如 果 计 算 机 下 次 再 次 对 该 数 据 进 行 访 问, 那 么 从 U 盘 重 新 读 取 该 数 据 还 是 直 接 从 内 存 中 获 取 上 次 驻 留 在 内 存 中 的 那 个 部 分 呢? 显 然, 如 果 从 内 存 中 直 接 读 取, 速 度 会 快 很 多 与 直 接 从 U 盘 读 取 相 比, 采 用 内 存 的 方 式 不 仅 省 去 读 Flash 的 时 间, 而 且 将 读 Flash 的 时 间 变 成 了 读 SDRAM 的 时 间, 从 理 论 上 来 讲, 执 行 速 度 甚 至 会 快 于 直 接 读 取 U 盘 基 于 这 样 的 思 想, 怎 样 在 核 心 板 上 64M 内 存 空 间 中 合 适 的 地 方 开 辟 合 适 大 小 的 内 存 以 供 中 转 ; 以 什 么 样 的 方 法 将 这 个 内 存 映 射 到 各 种 不 同 的 USB 存 储 设 备 ; 在 什 么 时 候 将 该 内 存 中 的 数 据 写 入 到 U 盘 中 等 等 都 成 为 本 章 要 解 决 的 问 题 7.1 内 存 的 分 配 在 64M 的 内 存 中 存 放 的 有 当 前 运 行 的 程 序 代 码 各 种 形 式 的 变 量 变 量 的 初 始 化 值 和 堆 栈 那 么 这 四 个 元 素 到 底 分 布 在 内 存 的 什 么 部 位 呢? 首 先 可 以 肯 定 的 是 在 连 接 完 之 后, 这 些 内 存 空 间 的 使 用 是 已 经 可 以 确 定 的 只 有 弄 清 楚 他 们 的 位 置, 才 能 确 定 哪 里 可 以 腾 出 多 少 空 间 供 数 据 缓 存 使 用 表 9 程 序 资 源 消 耗 表 数 据 类 型 起 始 地 址 末 地 址 大 小.text 0x x d3 0x105d4.rodata 0x d4 0x f 0x53ac.data 0x x2001 e3ff 0x8a80.bss 0x2001 e400 0x2004 b7f7 0x2d3f8 COMMON 0x2004 b7f8 0x x20990d stack 0x [27] 因 此, 必 须 对 工 程 文 件 夹 下 每 次 Make 都 会 生 成 的 toto.map 文 件 进 行 分 析, 得 到 的 结 果 如 26

30 表 9 所 示 表 中 地 址 都 是 从 片 外 的 16M 内 存 SDRAM 的 首 地 址 0x 开 始 的 其 中.text 内 容 表 示 为 程 序 的 代 码 段, 共 65K 左 右 ;.rodata (read only data) 为 程 序 中 所 申 明 的 常 量, 大 小 1K 左 右 ;.data 段 为 所 有 的 带 有 初 值 的 局 部 变 量, 共 2K 左 右 ;.bss 段 用 于 存 放 没 有 初 始 化 值 的 静 态 变 量, 该 部 分 在 程 序 加 载 时 会 自 动 填 零, 共 180K 左 右 ;COMMON 段 存 放 全 局 变 量, 和 一 些 大 数 组, 大 小 约 为 2M 所 以 从 SDRAM 的 0 地 址 开 始 的 大 2M 多 的 空 间 需 要 腾 出 来 作 为 程 序 的 使 用 范 围, 具 体 的 范 围 为 :0x ~0x 在 程 序 运 行 中 所 遇 要 的 不 仅 仅 是 代 码 和 各 种 变 量, 还 包 括 调 用 函 数 时 所 遇 要 用 到 的 堆 栈, 堆 栈 的 位 置 放 在 SDRAM 的 最 后, 与 其 他 段 不 同 的 是, 它 的 地 址 的 增 长 方 向 是 相 反 的, 从 高 地 址 一 直 到 低 地 址 图 22 内 存 分 配 示 意 图 综 上 所 述, 考 虑 以 后 程 序 的 改 动 和 各 种 可 能 出 现 的 变 更, 如 图 22 所 示 将 前 面 的 4M 和 最 后 28M 空 间 腾 出 来, 剩 下 的 32M 内 存 作 为 数 据 的 中 转 存 储 地 使 用 7.2 内 存 的 映 射 及 管 理 由 于 系 统 对 文 件 传 输 的 速 度 影 响 越 小 越 好, 所 以 在 内 存 管 理 上 采 用 最 简 单 的 机 制, 即 类 似 于 Cache 地 址 映 射 中 的 Direct mapping 的 概 念 [25] 主 存 储 器 被 分 为 一 页 一 页 的, 每 页 的 大 小 与 Cache 的 大 小 相 同, 具 体 的 实 现 描 述 如 下 : 32M 内 存 在 以 512 大 小 的 扇 区 为 单 位 寻 址 时 的 地 址 空 间 可 以 使 用 16bit 表 示, 而 在 USB 传 输 中 的 SCSI 命 令 中 的 地 址 空 间 为 32bit, 所 以 对 每 一 个 内 存 中 的 扇 区 都 必 须 使 用 一 个 额 外 的 16bit 的 变 量 存 储 该 扇 区 的 原 始 地 址 的 高 16 位, 这 样 才 能 准 确 无 误 的 将 扇 区 地 址 和 USB 存 储 器 的 地 址 一 一 对 应 因 此 开 辟 数 组 table 记 录 各 个 扇 区 的 高 16 位 地 址,table 的 下 标 使 用 扇 区 在 内 存 中 的 偏 移 地 址 表 示 初 始 化 时 一 定 要 将 其 全 部 置 为 0xffff, 以 区 分 当 前 该 扇 区 还 没 有 和 存 储 器 映 射 过 27

31 图 23 table 数 据 申 明 的 代 码 段 假 设 当 前 有 数 据 要 存 入 内 存, 它 的 存 储 器 地 址 为 usb_addr, 所 以 与 之 对 应 的 内 存 映 射 地 址 应 该 为 : ram_addr=(usb_addr & 0xffff) + SDRAM_OFFSET+CODE_SIZE 但 是 也 就 产 生 了 一 个 问 题 :USB 传 输 中 可 以 一 次 传 输 128 个 扇 区 (64KB), 那 么 如 果 这 段 数 据 的 首 地 址 映 射 到 32M 的 末 尾, 而 首 地 址 则 会 对 应 到 32M 的 开 头, 这 样 就 给 底 层 调 用 USB 数 据 的 接 受 函 数 造 成 了 一 定 的 麻 烦, 因 为 一 旦 对 USB 模 块 的 底 层 代 码 进 行 改 动 就 意 味 着 程 序 的 通 用 性 变 得 很 差, 一 旦 换 了 硬 件 平 台 就 很 难 再 对 系 统 进 行 移 植 因 此 在 32M 内 存 后 面 再 分 配 64K 的 缓 冲 区 域, 以 提 高 兼 容 性 此 外, 内 存 是 为 明 文 准 备 的 当 计 算 机 读 数 据 时, 可 以 如 下 进 行 操 作 : (1). 首 先 从 磁 盘 中 将 密 文 读 入 内 存 ; (2). 然 后 在 当 前 内 存 地 址 解 密 数 据 ; (3). 解 密 之 后 再 将 数 据 发 送 给 计 算 机 这 样 可 以 保 证 内 存 中 存 储 的 仍 然 为 明 文, 但 是 当 计 算 机 写 数 据 时 问 题 便 出 现 了 : (1). 首 先 将 明 文 写 到 内 存 中 ; (2). 然 后 在 当 前 内 存 地 址 加 密 数 据 ; (3). 将 加 密 后 的 数 据 写 到 磁 盘 中 从 上 面 的 步 骤 看, 似 乎 没 有 错, 但 是 所 有 的 操 作 结 束 之 后, 内 存 中 存 储 的 竟 然 是 密 文, 这 样 就 将 内 存 中 的 数 据 搞 混 了, 也 没 有 遵 循 内 存 是 为 明 文 准 备 的 这 条 规 定, 下 次 读 取 该 数 据 时 便 会 出 现 错 误 因 此 在 上 面 开 辟 的 64K 用 于 跨 区 的 内 存 后 再 开 辟 一 块 用 于 加 密 数 据 的 64K 内 存 来 解 决 这 个 问 题, 从 而 将 计 算 机 写 数 据 的 步 骤 更 改 为 : (1). 首 先 将 明 文 写 到 内 存 中 ; (2). 然 后 将 该 数 据 复 制 到 加 密 专 用 的 地 址 ; (3). 在 当 前 内 存 地 址 加 密 数 据 ; (4). 将 加 密 后 的 数 据 写 到 次 盘 中 多 了 一 个 copy 的 步 骤 为 了 降 低 实 际 应 用 中 多 次 拷 贝 数 据 给 系 统 带 来 的 时 间 开 销, 真 正 使 用 的 内 存 复 制 函 数 并 不 是 C 标 准 库 的 memcpy 函 数, 而 是 快 速 的 fast_memcpy 函 数 : 28

32 该 fast_memcpy 利 用 了 32 位 处 理 器 每 次 处 理 32 位 数 的 特 点, 每 次 复 制 的 数 据 大 小 为 4-byte 而 非 C 标 准 库 中 提 供 的 1 个 字 节 的 长 度 从 理 论 上 可 以 将 同 样 长 度 的 数 据 复 制 时 间 变 为 原 来 的 1/4 但 是 此 处 fast_memcpy 的 时 候 有 一 个 限 制 :src 和 dest 两 个 指 针 的 值 必 须 满 足 4 的 倍 数, 因 为 在 AT91SAM9260 硬 件 中 规 定 4-byte 寻 址 必 须 向 4-byte 对 齐, 否 则 会 出 现 读 到 的 数 据 不 是 想 要 的 数 据 的 结 果 例 如 : 一 个 4-byte 的 长 整 型 的 指 针 p 的 位 置 在 A 处, 那 么 *p 的 值 并 不 是 所 想 像 的 0x15D13F49, 通 过 实 验 可 以 发 现 实 际 上 *p 的 值 却 是 0x53033F49, 这 就 是 因 为 p 的 地 址 没 有 对 齐 4-byte; 而 如 果 p 指 向 的 是 B, 那 么 *p 得 到 的 值 理 所 当 然 为 0x3BB815D1 不 过 幸 运 的 是, 在 USB 进 行 数 据 读 取 时 所 有 的 数 据 都 是 以 512-byte 为 单 位 的, 即 数 据 的 地 址 为 512 的 倍 数, 显 然 更 是 4 的 倍 数 了 29

33 第 八 章 文 件 目 录 簇 的 识 别 目 前 在 大 容 量 U 盘 中 普 遍 采 用 的 文 件 系 统 格 式 为 FAT32, 而 FAT16 及 FAT12 也 因 为 U 盘 容 量 的 不 断 扩 展 早 早 的 退 出 了 历 史 的 舞 台 因 此 本 文 选 取 FAT32 作 为 研 究 对 象, 实 现 该 文 件 系 统 下 的 文 件 级 别 的 数 据 加 密 但 是 就 USB 的 存 储 设 备 而 言 并 不 存 在 文 件 系 统 的 概 念, 它 所 看 到 的 只 能 是 地 位 相 同 的 RAW DATA, 因 此 这 也 给 基 于 USB 的 文 件 级 别 的 加 密 带 来 了 挑 战 8.1 FAT32 文 件 系 统 简 介 [5][8] 对 于 FAT32 文 件 系 统, 硬 盘 上 的 数 据 按 照 不 同 的 特 点 和 作 用 大 致 可 分 为 5 部 分 :MBR 区 ( 主 引 导 记 录 区 ) DBR 区 (DOS 引 导 记 录 区 ) FAT 区 ( 文 件 分 配 表 区 ) 和 DATA 区 ( 数 据 区 ) 其 中, MBR 区 由 分 区 软 件 创 建, 而 DBR 区 FAT 区 和 DATA 区 由 高 级 格 式 化 程 序 创 建 这 4 个 区 域 共 同 作 用 才 有 利 于 整 个 硬 盘 的 管 理 图 24 FAT 文 件 系 统 结 构 示 意 图 主 引 导 记 录 区 (MBR) MBR 在 磁 盘 中 的 地 位 是 首 要 的, 它 的 缺 失 对 磁 盘 中 存 储 的 数 据 而 言 可 能 是 灾 难 性 的 一 个 MBR 的 大 小 为 512 字 节, 以 0x55AA 作 为 结 束 的 标 志, 这 一 标 志 通 常 也 被 用 于 判 定 该 磁 盘 所 使 用 的 是 否 是 DOS 文 件 系 统 MBR 中 存 储 的 主 要 就 是 启 动 代 码 和 磁 盘 的 分 区 表 在 计 算 机 启 动 时 BIOS 会 选 择 从 哪 个 盘 启 动, 一 但 BIOS 将 控 制 权 交 给 磁 盘 之 后, 第 一 件 事 就 是 执 行 位 于 磁 盘 0 地 址 的 前 446 个 字 节 的 启 动 代 码, 这 段 代 码 对 本 问 的 研 究 没 有 任 何 影 响, 故 不 做 详 细 的 介 绍 然 后 从 偏 移 为 0x1BE 的 地 址 开 始 就 是 16 个 字 节 的 分 区 表, 分 区 表 共 有 四 个 共 64 字 节 在 Windows 操 作 系 统 下 的 可 移 动 磁 盘 是 无 法 分 区 的, 即 使 通 过 强 行 的 方 法 进 行 分 区,Windows 也 只 对 第 一 个 分 区 做 识 别, 后 面 的 分 区 无 法 访 问 表 10 MBR 分 区 表 表 10 所 示 便 是 一 块 U 盘 的 主 分 区 表, 在 这 里 规 定 了 磁 盘 的 开 始 和 结 束 的 磁 头 扇 区 和 柱 30

34 面, 这 些 参 数 实 际 上 没 有 真 实 的 作 用, 只 是 习 惯 上 沿 用 以 前 盘 片 式 磁 盘 的 习 惯 有 用 的 参 数 有 :Partition type indicator( 指 明 了 该 分 区 中 使 用 的 操 作 系 统 ), 本 文 简 单 的 检 查 是 否 为 我 们 所 需 要 的 FAT32 的 代 码 0x0B;Sectors preceding partition 1( 指 明 真 正 分 区 的 DBR 开 始 的 逻 辑 块 地 址 ), 本 文 通 过 该 数 值 找 到 DBR;Sectors in partition 1( 指 明 该 分 区 的 大 小, 以 扇 区 为 单 位 ), 在 这 里 也 可 以 不 用 值 得 一 提 的 是, 正 是 因 为 Windows 下 的 U 盘 只 有 一 个 分 区, 所 以 很 多 时 候 MBR 可 以 不 存 在 的, 磁 盘 的 0 扇 区 直 接 存 储 DBR 也 可 以 正 常 工 作, 所 以 在 本 设 计 中 也 加 入 了 对 这 一 特 殊 情 况 的 考 虑 DOS 引 导 记 录 区 (DBR) 与 MBR 不 同,DBR 中 存 储 着 大 量 的 在 识 别 目 录 簇 时 可 以 使 用 到 的 数 据 DBR 区 (DOS BOOT RECORD) 即 操 作 系 统 引 导 记 录 区 的 意 思, 通 常 占 用 分 区 的 第 0 扇 区 共 512 个 字 节 ( 特 殊 情 况 也 要 占 用 其 它 保 留 扇 区, 我 们 只 讨 论 第 0 扇 ) 在 这 512 个 字 节 中, 其 实 又 是 由 跳 转 指 令, 厂 商 标 志 和 操 作 系 统 版 本 号,BPB(BIOS Parameter Block), 扩 展 BPB,OS 引 导 程 序, 结 束 标 志 几 部 分 组 成, 如 表 11 所 示 表 11 FAT32 分 区 上 DBR 中 各 部 分 的 位 置 划 分 字 节 位 移 字 段 长 度 字 段 名 0x00 3 个 字 节 跳 转 指 令 0x03 8 个 字 节 厂 商 标 志 和 os 版 本 号 0x0B 53 个 字 节 BPB 0x40 26 个 字 节 扩 展 BPB 0x5A 420 个 字 节 引 导 程 序 代 码 0x01FE 2 个 字 节 有 效 结 束 标 志 这 里 详 细 介 绍 如 何 通 过 读 取 该 扇 区 获 得 簇 大 小 和 FAT1 FAT2 跟 目 录 的 地 址 表 12 部 分 BPB 值 (BIOS Parameter Block) 如 表 12 所 示, 它 是 从 Winhex 软 件 中 截 取 出 来 的 截 屏, 显 示 的 是 一 只 U 盘 的 几 个 属 性, 其 中 偏 移 地 址 为 0xD 的 说 明 了 簇 的 大 小, 这 里 为 8 个 扇 区, 即 4KB; 一 个 重 要 信 息 为 保 留 的 扇 区 数, 这 个 保 留 的 意 思 就 是 指 FAT1 之 前 的 扇 区 的 个 数 ( 从 DBR 的 开 始 算 起 ); 最 后 的 偏 移 为 0x24 的 FAT 的 扇 区 数 可 以 利 用 了 确 定 FAT2 以 及 跟 目 录 的 位 置 FAT1_addr=Reserved_sectors+DBR_addr FAT2_addr=FAT1_addr+Sectors_per_FAT; root_directory_addr=fat2_addr+ Sectors_per_FAT; 31

35 8.1.3 文 件 分 配 表 区 (FAT) FAT 用 于 存 储 磁 盘 中 大 于 一 簇 的 文 件 的 跨 簇 存 储 的 信 息, 采 用 链 表 的 方 式 实 现 了 文 件 的 连 续 和 不 连 续 的 存 储, 同 时 FAT 会 存 有 相 同 的 两 份, 以 供 其 中 一 个 出 现 错 误 时 恢 复 用 数 据 区 (DATA) FAT32 文 件 系 统 的 目 录 结 构 其 实 是 一 颗 有 向 的 从 根 到 叶 的 树, 这 里 提 到 的 有 向 是 指 对 于 FAT32 分 区 内 的 任 一 文 件 ( 包 括 文 件 夹 ), 均 需 从 根 目 录 寻 址 来 找 到 可 以 这 样 认 为 : 目 录 存 储 结 构 的 入 口 就 是 根 目 录 FAT32 文 件 系 统 根 据 根 目 录 来 寻 址 其 他 文 件 ( 包 括 文 件 夹 ), 故 而 根 目 录 的 位 置 必 须 在 磁 盘 存 取 数 据 之 前 得 以 确 定, 这 一 工 作 已 经 在 前 面 对 DBR 分 析 的 过 程 中 完 成 FAT32 文 件 系 统 的 一 个 重 要 思 想 是 把 目 录 ( 包 括 跟 目 录 ) 当 作 一 个 特 殊 的 文 件 来 处 理 FAT32 分 区 中 所 有 的 目 录, 实 际 上 可 以 看 作 是 一 个 存 放 其 他 文 件 ( 目 录 ) 入 口 参 数 的 数 据 表 所 以 目 录 的 占 用 空 间 的 大 小 并 不 等 同 于 其 下 所 有 数 据 的 大 小, 但 也 不 等 同 于 0 通 常 是 占 很 小 的 空 间 的, 可 以 看 作 目 录 文 件 是 一 个 简 单 的 二 维 表 文 件 其 具 体 存 储 原 理 是 : 不 管 目 录 文 件 所 占 空 间 为 多 少 簇, 一 簇 为 多 少 字 节 系 统 都 会 以 32 个 字 节 为 单 位 进 行 目 录 文 件 所 占 簇 的 分 配 这 32 个 字 节 以 确 定 的 偏 移 来 定 义 本 目 录 下 的 一 个 文 件 ( 或 文 件 夹 ) 的 属 性, 实 际 上 是 一 个 简 单 的 二 维 表 这 32 个 字 节 的 各 字 节 偏 移 定 义 如 表 13 FAT32 短 文 件 目 录 项 32 个 字 节 的 表 示 定 义 字 节 偏 移 (Hex) 字 节 数 定 义 0x00~0x07 8 文 件 名 0x08~0x0A 3 扩 展 名 ( 读 写 ) ( 只 读 ) 属 ( 隐 藏 ) 性 0x0B* ( 系 统 ) 字 ( 卷 标 ) 节 ( 子 目 录 ) ( 归 档 ) 0x0C 1 系 统 保 留 0x0D 1 创 建 时 间 的 10 毫 秒 位 0x0E~0x0F 2 文 件 创 建 时 间 0x10~0x11 2 文 件 创 建 日 期 0x12~0x13 2 文 件 最 后 访 问 日 期 0x14~0x15 2 文 件 起 始 簇 号 的 高 16 位 0x16~0x17 2 文 件 的 最 近 修 改 时 间 0x18~0x19 2 文 件 的 最 近 修 改 日 期 0x1A~0x1B 2 文 件 起 始 簇 号 的 低 16 位 0x1C~0x1F 4 表 示 文 件 的 长 度 32

36 对 表 13 中 的 一 些 取 值 进 行 说 明 : (1). 对 于 短 文 件 名, 系 统 将 文 件 名 分 成 两 部 分 进 行 存 储, 即 主 文 件 名 + 扩 展 名 0x0~0x7 字 节 记 录 文 件 的 主 文 件 名,0x8~0xA 记 录 文 件 的 扩 展 名, 取 文 件 名 中 的 ASCII 码 值 不 记 录 主 文 件 名 与 扩 展 名 之 间 的., 主 文 件 名 不 足 8 个 字 符 以 空 白 符 (20H) 填 充, 扩 展 名 不 足 3 个 字 符 同 样 以 空 白 符 (20H) 填 充 0x0 偏 移 处 的 取 值 若 为 00H, 表 明 目 录 项 为 空 ; 若 为 E5H, 表 明 目 录 项 曾 被 使 用, 但 对 应 的 文 件 或 文 件 夹 已 被 删 除 ( 这 也 是 误 删 除 后 恢 复 的 理 论 依 据 ) 文 件 名 中 的 第 一 个 字 符 若 为. 或.. 表 示 这 个 簇 记 录 的 是 一 个 子 目 录 的 目 录 项. 代 表 当 前 目 录 ;.. 代 表 上 级 目 录 ( 和 我 们 在 dos 或 windows 中 的 使 用 意 思 是 一 样 的, 如 果 磁 盘 数 据 被 破 坏, 就 可 以 通 过 这 两 个 目 录 项 的 具 体 参 数 推 算 磁 盘 的 数 据 区 的 起 始 位 置, 猜 测 簇 的 大 小 等 等, 故 而 是 比 较 重 要 的 ) (2). 0xB 的 属 性 字 段 : 可 以 看 作 系 统 将 0xB 的 一 个 字 节 分 成 8 位, 用 其 中 的 一 位 代 表 某 种 属 性 的 有 或 无 这 样, 一 个 字 节 中 的 8 位 每 位 取 不 同 的 值 就 能 反 映 各 个 属 性 的 不 同 取 值 了 如 就 表 示 这 是 个 文 件, 属 性 是 只 读 系 统 该 字 段 的 用 途 在 长 文 件 名 的 表 示 中 还 会 用 到 (3). 0xE~0xF 和 0x16~0x17 中 的 时 间 = 小 时 *2048+ 分 钟 *32+ 秒 /2 得 出 的 结 果 换 算 成 16 进 制 填 入 即 可 也 就 是 :0x16 字 节 的 0~4 位 是 以 2 秒 为 单 位 的 量 值 ;0x16 字 节 的 5~7 位 和 0x17 字 节 的 0~2 位 是 分 钟 ;0x17 字 节 的 3~7 位 是 小 时 (4). 0x10~0x11 和 0x18~0x19 中 的 日 期 =( 年 份 -1980)*512+ 月 份 *32+ 日 得 出 的 结 果 换 算 成 16 进 制 填 入 即 可 也 就 是 :0x18 字 节 0~4 位 是 日 期 数 ;0x18 字 节 5~7 位 和 0x19 字 节 0 位 是 月 份 ; 0x19 字 节 的 1~7 位 为 年 号, 原 定 义 中 0~119 分 别 代 表 1980~2099, 目 前 高 版 本 的 Windows 允 许 取 0~127, 即 年 号 最 大 可 以 到 2107 年 (5). 由 于 FAT32 可 寻 址 的 簇 号 为 32bit 所 以 系 统 在 记 录 文 件 ( 文 件 夹 ) 开 始 簇 地 址 的 时 候 也 需 要 32 位 来 记 录,FAT32 启 用 目 录 项 偏 移 0x12~0x13 来 表 示 起 始 簇 号 的 高 16 位 偏 移 0x1A~0x1B 表 示 起 始 簇 的 低 16 位 以 上 介 绍 的 仅 仅 是 对 短 文 件 名 的 支 持, 最 多 只 支 持 8 个 字 符, 因 此 在 FAT32 中 规 定 长 文 件 名 依 然 记 录 在 目 录 项 中 为 了 低 版 本 的 OS 或 程 序 能 正 确 读 取 长 文 件 名 文 件, 系 统 自 动 为 所 有 长 文 件 名 文 件 创 建 了 一 个 对 应 的 短 文 件 名, 使 对 应 数 据 既 可 以 用 长 文 件 名 寻 址, 也 可 以 用 短 文 件 名 寻 址 不 支 持 长 文 件 名 的 OS 或 程 序 会 忽 略 它 认 为 不 合 法 的 长 文 件 名 字 段, 而 支 持 长 文 件 名 的 OS 或 程 序 则 会 以 长 文 件 名 为 显 式 项 来 记 录 和 编 辑, 并 隐 藏 起 短 文 件 名 当 创 建 一 个 长 文 件 名 文 件 时, 系 统 会 自 动 加 上 对 应 的 短 文 件 名, 其 一 般 有 的 原 则 : (1). 取 长 文 件 名 的 前 6 个 字 符 加 上 "~1" 形 成 短 文 件 名, 扩 展 名 不 变 (2). 如 果 已 存 在 这 个 文 件 名, 则 符 号 "~" 后 的 数 字 递 增, 直 到 5 (3). 如 果 文 件 名 中 "~" 后 面 的 数 字 达 到 5, 则 短 文 件 名 只 使 用 长 文 件 名 的 前 两 个 字 母 通 过 数 学 操 纵 长 文 件 名 的 剩 余 字 母 生 成 短 文 件 名 的 后 四 个 字 母, 然 后 加 后 缀 "~1" 直 到 最 后 长 文 件 名 的 实 现 有 赖 于 目 录 项 偏 移 为 0xB 的 属 性 字 节, 当 此 字 节 的 属 性 为 : 只 读 隐 藏 系 统 卷 标, 即 其 值 为 0FH 时, 操 作 系 统 会 认 为 该 目 录 项 正 在 为 一 个 长 文 件 名 服 务 系 统 将 长 33

37 文 件 名 以 13 个 字 符 为 单 位 进 行 切 割, 每 一 组 占 据 一 个 目 录 项 所 以 可 能 一 个 文 件 需 要 多 个 目 录 项, 这 时 长 文 件 名 的 各 个 目 录 项 按 倒 序 排 列 在 目 录 表 中, 以 防 与 其 他 文 件 名 混 淆 长 文 件 名 中 的 字 符 采 用 unicode 形 式 编 码, 每 个 字 符 占 据 2 字 节 的 空 间 其 目 录 项 定 义 如 表 15 表 14 FAT32 长 文 件 目 录 项 32 个 字 节 的 表 示 定 义 字 节 偏 移 (Hex) 字 节 数 定 义 7 保 留 未 用 属 6 1 表 示 长 文 件 最 后 一 个 目 录 项 性 5 保 留 未 用 字 4 0x00 1 节 3 位 意 义 顺 序 号 数 值 0x01~0x0A 10 长 文 件 名 unicode 码 1 0x0B 1 长 文 件 名 目 录 项 标 志, 取 值 0FH 0x0C 1 系 统 保 留 0x0D 1 校 验 值 ( 根 据 短 文 件 名 计 算 得 出 ) 0x0E~0x19 12 长 文 件 名 unicode 码 2 0x1A~0x1B 2 文 件 起 始 簇 号 ( 目 前 常 置 0) 0x1C~0x1F 4 长 文 件 名 unicode 码 3 系 统 在 存 储 长 文 件 名 时, 总 是 先 按 倒 序 填 充 长 文 件 名 目 录 项, 然 后 紧 跟 其 对 应 的 短 文 件 名 从 表 14 可 以 看 出, 长 文 件 名 中 并 不 存 储 对 应 文 件 的 文 件 开 始 簇 文 件 大 小 各 种 时 间 和 日 期 属 性 因 此 长 文 件 名 和 短 文 件 名 之 间 的 联 系 变 得 非 常 敏 感, 光 靠 他 们 之 间 的 位 置 关 系 维 系 显 然 远 远 不 够 其 实, 长 文 件 名 的 0xD 字 节 的 校 验 和 起 很 重 要 的 作 用, 此 校 验 和 是 用 短 文 件 名 的 11 个 字 符 通 过 一 种 运 算 方 式 来 得 到 的 8.2 数 据 区 中 目 录 簇 的 识 别 [26] 在 USB 的 读 写 过 程 中,USB 控 制 器 无 需 对 文 件 系 统 有 任 何 了 解, 在 对 文 件 的 处 理 过 程 中 所 需 要 的 操 作 全 部 由 PC 机 上 的 操 作 系 统 完 成, 将 需 要 读 写 的 数 据 读 出 或 写 到 Flash 中 而 USB 所 要 做 的 就 是 不 断 的 响 应 PC 的 请 求, 这 些 请 求 就 是 节 所 述 的 SCSI 的 读 写 命 令, 完 全 不 需 要 管 上 层 的 文 件 系 统 究 竟 在 做 什 么 工 作 因 此 在 这 种 条 件 下 就 需 要 以 来 与 前 一 小 节 的 分 析 来 提 供 依 据, 用 最 快 最 方 便 的 方 法 将 隐 藏 与 大 量 数 据 中 的 目 录 簇 识 别 出 来 从 与 可 知 通 过 对 数 据 的 过 滤 可 以 很 容 易 的 识 别 出 MBR DBR FAT1 FAT2 以 及 根 目 录, 在 地 址 超 过 跟 目 录 的 时 候, 如 果 该 组 数 据 是 目 录 簇, 那 么 不 加 密, 而 如 果 此 次 传 输 的 数 据 为 文 件 数 据 则 需 要 加 密 FAT32 是 以 簇 为 单 位 进 行 存 储 的 文 件 系 统 中, 当 前 簇 不 是 文 件 数 据 就 是 目 录 数 据, 所 以 只 需 要 对 每 个 簇 的 前 面 一 部 分 的 数 据 进 行 判 断 就 可 以 识 别 出 该 簇 的 真 正 身 份 文 件 数 据 的 组 织 形 式 取 决 于 该 文 件, 而 目 录 数 据 的 组 织 形 式 却 是 由 文 件 系 统 规 定, 因 此 既 然 有 规 定 了 目 录 数 据 的 34

38 格 式 标 准, 它 就 必 然 存 在 不 同 于 文 件 数 据 的 数 字 特 征 将 文 件 数 据 看 成 是 一 种 随 机 数, 那 么 识 别 目 录 簇 的 工 作 便 是 从 噪 声 中 对 有 用 信 号 的 检 测 通 过 的 分 析 可 以 发 现, 目 录 簇 存 在 着 这 样 几 个 特 征 : (1). 在 非 跟 目 录 的 簇 的 开 头, 如 果 该 簇 为 字 母 的 首 簇, 那 么 前 两 个 文 件 的 文 件 名 必 定 是. 和.., 他 们 分 别 代 表 当 前 目 录 和 上 级 目 录, 因 此 同 时 还 提 供 给 我 们 的 信 息 有 : 1) 每 个 目 录 项 的 文 件 的 长 度 一 定 为 0;2). 和.. 两 者 的 创 建 时 间 的 10 毫 秒 位 创 建 时 间 和 日 期 最 经 修 改 时 间 和 日 期 最 后 访 问 日 期 都 是 一 样 的 (2). 即 使 当 前 簇 不 是 目 录 簇 的 首 簇, 它 的 短 文 件 名 所 使 用 的 值 必 定 是 可 识 别 的 ASCII 码, 那 么 就 从 一 定 程 度 上 限 制 了 相 应 字 段 的 数 值 (3). 偏 移 为 0xB 的 属 性 字 节 的 最 高 两 个 BIT 是 0 (4). 时 间 格 式 特 征 表 示 小 时 的 5bit 的 区 间 为 [0,23], 表 示 分 钟 的 6 个 bit 的 取 值 区 间 为 [0,59], 同 样 表 示 秒 /2 的 5 个 bit 的 范 围 为 [0,29] 这 些 都 没 有 将 各 自 的 空 间 使 用 完 整 (5). 日 期 格 式 特 征 表 示 月 份 的 4bit 的 取 值 区 间 为 [1,12], 而 表 示 日 和 年 的 bit 利 用 价 值 不 是 很 大 (6). 长 文 件 名 的 特 征 1) 偏 移 为 0xD 的 字 节 的 校 验 值 应 该 同 它 的 短 文 件 名 相 对 应 ;2)0x0 的 属 性 字 节 的 低 4bit 表 示 的 顺 序 号 数 值 的 倒 叙 关 系 可 以 成 为 特 征 从 以 上 分 析 可 以 看 到 目 录 簇 存 在 很 多 特 征, 通 过 抓 住 这 些 特 征, 虽 然 不 能 100% 的 命 中 目 标, 但 至 少 可 以 保 证 在 对 合 法 的 FAT32 文 件 系 统 扫 描 时, 不 会 出 现 漏 检 的 现 象 但 是 在 实 现 上, 既 要 保 证 高 的 识 别 率, 又 要 保 证 不 影 响 数 据 传 输 的 速 度, 最 终 采 用 上 面 的 第 一 条 特 征, 保 证 高 速 的 识 别 但 是 如 果 文 件 夹 内 部 的 文 件 项 的 个 数 超 过 128 个, 即 子 目 录 的 出 现 了 跨 簇 的 现 象 时, 就 无 法 保 证 首 簇 后 的 文 件 的 正 确 显 示 了 虽 然 在 U 盘 中 出 现 某 个 子 文 件 夹 下 文 件 数 过 多 的 情 况 也 不 太 可 能, 但 是 如 果 能 够 将 上 述 的 大 多 数 特 征 都 用 上, 对 每 个 簇 的 前 几 项 做 一 个 合 适 的 运 算, 是 满 足 特 征 的 预 算 结 果 都 映 射 到 一 个 区 间, 那 么 就 可 以 很 清 晰 的 解 决 这 一 问 题 35

39 第 九 章 文 件 数 据 的 加 解 密 在 加 密 方 式 上, 采 用 AES 的 加 密 方 式, 不 只 是 因 为 它 的 安 全 性 能, 更 因 为 AES 是 一 种 很 好 的 分 析 加 密 算 法 但 是 在 加 密 模 式 上 一 直 存 在 一 定 的 问 题 普 通 的 ECB 模 式 因 为 它 的 一 一 对 应 容 易 受 到 水 印 攻 击 (watermarking attack), 而 CBC(Cipher Block Chain) 模 式 一 直 以 来 是 众 多 模 式 中 使 用 最 为 广 泛 的 加 密 模 式, 尽 管 在 某 些 方 面 还 存 在 一 些 不 足 综 合 考 虑 各 种 因 素,CBC 仍 然 具 有 多 方 面 的 优 越 性 9.1 AES 标 准 [16] 在 密 码 学 界,AES(Advanced Encryption Standard) 加 密 算 法 是 美 国 政 府 所 采 用 的 一 种 加 密 标 准, 是 世 界 上 最 流 行 的 对 称 加 密 算 法 之 一 它 具 有 三 种 不 同 的 分 组 加 密 形 式 :AES-128 AES-192 AES-256, 每 种 方 法 都 使 用 128-bit 分 组 长 度, 密 钥 长 度 可 以 分 别 为 和 256 比 特 该 加 密 算 法 的 安 全 性 能 已 经 得 到 世 界 范 围 内 的 认 可, 并 广 泛 应 用 简 单 的 将 AES 算 法 表 述 如 下 : 1. 使 用 称 之 为 Rijndael's key schedule 的 算 法 对 密 钥 进 行 扩 展 2. Initial Round a) 轮 密 钥 加 : 利 用 单 签 分 组 和 扩 展 密 钥 的 一 部 分 进 行 按 位 XOR 3. Rounds ( 对 于 128-bit 密 钥 需 要 进 行 9 轮,192-bit 需 要 11 轮,256-bit 密 钥 的 AES 需 要 13 轮 ) a) 字 节 代 换 : 用 一 个 S 盒 完 成 分 组 中 的 按 字 节 代 换 b) 行 移 位 : 行 置 换, 状 态 表 的 每 一 行 都 要 进 行 一 定 数 量 的 移 位 c) 列 混 淆 : 一 个 利 用 在 域 GF(28) 上 的 算 术 特 性 的 代 换 d) 轮 密 钥 加 : 利 用 单 签 分 组 和 扩 展 密 钥 的 一 部 分 进 行 按 位 XOR 4. Final Round ( 没 有 列 混 淆 ) a) 字 节 代 换 : 用 一 个 S 盒 完 成 分 组 中 的 按 字 节 代 换 b) 行 移 位 : 行 置 换, 状 态 表 的 每 一 行 都 要 进 行 一 定 数 量 的 移 位 c) 列 混 淆 : 一 个 利 用 在 域 GF(28) 上 的 算 术 特 性 的 代 换 9.2 CBC 加 密 模 式 [16] Decryption Encryption P i P i+1 C i C i+1 C i-1 XOR XOR Decryption Decryption Encryption Encryption C i-1 XOR XOR C i C i+1 图 25 CBC 加 解 密 模 式 P i P i+1 在 一 块 可 以 扇 区 寻 址 的 Flash 或 者 硬 盘 上, 通 常 一 个 扇 区 的 大 小 为 512Byte, 那 么 一 个 扇 区 36

40 所 需 要 的 AES 加 密 次 数 为 32 次 这 32 次 加 密 本 文 使 用 CBC 模 式 完 成,IV(Initiation Vector) 初 始 化 向 量 由 当 前 数 据 地 址 加 密 得 到 设 扇 区 的 地 址 为 n, 该 扇 区 中 的 第 i 个 (i 从 0 开 始 计 数 )128 位 明 文 记 为 P, P 经 过 AES 加 密 之 后 的 密 文 记 为 C, 密 钥 为 k n i n i n i C E( k,[ C P ]); i 0 n n n i i 1 i n C 1 IV ( n) E( k, n) 由 于 IV 的 生 成 涉 及 到 密 码 k 的 介 入, 所 以 IV 的 不 可 预 测 性 很 大 程 度 增 加 了 破 解 的 难 度 37

41 第 十 章 测 试 与 总 结 10.1 总 述 系 统 测 试 采 用 先 局 部 后 整 体 的 方 案, 首 先 将 各 个 模 块 (USB 数 据 传 输 模 块 AES 加 密 模 块 ) 在 分 离 的 情 况 下 单 独 测 试, 通 过 对 它 的 各 种 操 作 来 尽 可 能 多 的 暴 露 问 题, 并 一 一 解 决 最 后 再 将 其 整 合 起 来 进 行 总 体 测 试 对 于 软 件 测 试 完 全 依 靠 RS232 串 口 输 出 程 序 中 的 数 据 变 量, 然 后 通 过 计 算 机 上 的 分 析 除 了 串 口 工 具, 测 试 中 还 用 到 的 主 要 工 具 有 : (1). Bus Hound 5.0: 一 款 用 于 分 析 PC 上 IO 数 据 软 件, 能 够 对 多 种 协 议 的 数 据 包 进 行 截 取 解 析 并 保 存 这 些 数 据 代 表 了 在 PC 上 看 到 的 USB 数 据, 与 串 口 发 回 的 USB 数 据 对 比 可 以 找 到 程 序 的 漏 洞, 并 作 出 相 应 的 改 进 (2). USB-IF Test Suite:USB 开 发 者 论 坛 提 供 的 用 于 USB 标 准 测 试 的 软 件, 能 够 查 看 当 前 设 备 是 否 符 合 国 际 标 准 (3). HD Tach v : 用 来 对 USB 的 传 输 速 率 测 试, 它 会 对 U 盘 提 供 大 小 不 同 的 数 据 包, 分 别 计 算 他 们 的 传 输 速 率 (4). ATTO Disk Benchmark v2.34: 同 样 是 USB 测 速 软 件, 使 用 不 同 的 两 款 软 件 可 以 提 高 测 试 数 据 的 可 信 度 (5). WinHex 15.0 SR-2: 用 于 观 察 Flash 上 每 一 个 扇 区 的 数 据 变 化, 有 效 地 判 断 加 密 的 正 确 性 并 评 估 效 果 10.2 AES 加 密 函 数 验 证 性 测 试 因 为 AES 加 解 密 函 数 来 源 于 互 联 网, 难 免 会 有 疏 漏, 质 量 不 能 得 到 保 证 稍 作 修 改 后 应 当 对 齐 正 确 性 进 行 验 证, 通 过 权 威 机 构 发 布 的 测 试 向 量 对 齐 进 行 验 证 具 有 权 威 性 测 试 向 量 是 一 组 已 经 给 出 的 输 入 明 文 密 钥 和 输 出 密 文 的 集 合 以 下 数 据 来 源 于 NIST 发 布 的 联 邦 信 息 处 理 标 准 (FIPS PUBS) 197 例 如, 对 于 一 个 128-bit 的 密 钥 为 " A0B0C0D0F101112" 并 且 输 入 明 文 为 "506812A45F08C889B97F B8359" 128-bit 的 AES 加 密 过 后 的 正 确 输 出 应 当 为 "D8F EF7D06B506A4FD5BE9C9" 另 一 组 测 试 值 为 : 明 文 : 密 钥 : 密 文 : "4EC137A426DABF8AA0BEB8BC0C2B89D6" "95A8EE8E89979B9EFDCBC6EB D" "D9B65D1232BA0199CDBD487B2A1FD646" 38

42 若 使 用 上 以 测 试 向 量 的 明 文 作 为 密 文, 密 钥 不 变, 则 解 密 明 文 为 : "9570C B393503A001C0E23B65" 通 过 编 写 专 门 测 试 程 序, 串 口 输 出 测 试 结 果 显 示 AES 加 解 密 函 数 准 确 无 误 10.3 传 输 性 能 测 试 将 加 解 密 设 备 插 到 电 脑 USB 端 口, 再 将 U 盘 连 接 到 本 设 备 等 待 指 纹 输 入 完 成, 连 接 计 算 机, 显 示 U 盘 盘 符 可 以 开 始 数 据 传 输, 传 输 速 率 测 试 结 果 如 下 图 : 图 26 设 备 读 写 速 度 测 试 结 果 如 图 28 所 示 为 一 款 金 士 顿 U 盘 在 本 平 台 上, 通 过 专 业 测 试 软 件 ATTO Disk Benchmark 所 得 的 USB 传 输 速 率 通 过 对 测 试 结 果 的 观 察, 可 以 发 现 随 着 传 输 数 据 的 增 加, 读 写 速 度 都 会 有 很 大 的 提 高, 因 为 在 传 输 过 程 中 没 有 一 簇 的 数 据 会 自 动 补 全 一 簇 处 理, 在 加 上 其 余 的 传 输 控 制 使 得 在 传 输 小 的 文 件 数 据 时 所 得 的 读 写 速 度 偏 低 直 到 当 文 件 达 到 64K 左 右 时, 读 写 速 度 相 对 开 始 稳 定, 写 入 速 度 稳 定 在 230KB/s 左 右 ; 而 因 为 缓 存 的 使 用, 使 得 同 样 情 况 的 读 速 率 达 到 了 将 近 写 的 两 倍, 为 550KB/s 根 据 文 献 28 的 测 试,USB 全 速 设 备 的 传 输 速 度 理 论 上 最 高 只 能 达 到 1MB/s 左 右, 而 文 献 29 指 出 真 正 实 现 中 能 达 到 的 速 度 为 600KB/s~700KB/s 左 右, 因 此, 相 比 而 言 系 统 所 得 传 输 效 果 令 人 满 意 再 将 加 密 后 的 文 件 重 新 拷 贝 到 电 脑 上, 打 开 后 与 原 文 件 一 样, 本 设 备 加 解 密 运 算 在 系 统 中 运 行 正 确 将 加 密 后 的 U 盘 直 接 连 到 电 脑 上, 电 脑 无 法 读 写 U 盘 中 的 数 据 通 过 以 上 测 试, 作 品 完 全 能 够 正 确 完 成 加 解 密 运 算, 为 U 盘 提 供 可 靠 的 保 护, 完 全 实 现 了 预 期 目 标 39

43 第 十 一 章 结 束 语 11.1 论 文 总 结 通 过 不 断 的 调 试 与 改 进, 系 统 已 经 能 够 正 确 运 行, 并 且 得 到 了 让 人 满 意 的 效 果 通 过 该 系 统, 在 计 算 机 上 可 以 正 确 无 误 的 看 到 文 件 目 录, 在 读 取 文 件 数 据 时 只 有 存 入 该 数 据 时 使 用 的 指 纹 才 能 够 正 确 的 解 密 文 件, 否 则 看 到 的 只 能 是 无 法 解 开 的 乱 码 通 过 总 结, 本 文 完 成 了 以 下 工 作 : (1). 完 成 硬 件 电 路 板 的 制 作 技 术 和 调 试 (2). 移 植 USB 主 机 设 备 段 驱 动 程 序, 实 现 USB 主 从 设 备 间 的 数 据 透 明 传 输 (3). 支 持 对 普 通 U 盘 文 件 的 加 解 密, 文 件 名 称 可 见, 内 容 不 可 见, 方 便 文 件 管 理 (4). 与 指 纹 模 块 相 互 通 信, 获 取 指 纹 图 像 在 与 DSP 指 纹 模 块 相 互 连 接, 完 成 系 统 整 体 功 能 的 调 试 之 后, 加 解 密 设 备 的 实 物 图 如 图 27 所 示 从 上 之 下 四 种 不 同 类 型 的 虚 线 框 分 别 是 : 指 纹 采 集 传 感 器 DSP 指 纹 预 处 理 模 块 SPI 接 口 ARM 嵌 入 式 平 台 图 27 系 统 最 终 实 物 图 在 完 成 这 些 工 作 的 同 时, 努 力 提 高 USB 方 面 的 理 论 水 平, 学 习 了 OHCI 规 范 和 FAT32 文 件 系 统 的 标 准, 收 获 颇 深 通 过 代 码 的 改 进, 提 高 了 对 USB 存 储 器 的 兼 容 性 在 实 践 过 程 中, 有 如 下 创 新 : (1). 采 用 了 独 立 于 U 盘 与 计 算 机 的 设 计 思 想, 采 用 过 滤 USB 数 据 流 的 方 法 实 现 文 件 加 密 40

44 (2). 对 U 盘 中 的 每 一 个 文 件 进 行 加 解 密, 而 不 是 对 整 个 U 盘 加 解 密, 使 用 和 管 理 都 更 为 方 便 a) 提 出 了 FAT32 文 件 系 统 中 目 录 簇 的 识 别 方 法 及 未 来 的 扩 展 空 间 b) 构 造 了 数 据 缓 存 区, 使 文 件 传 输 更 快 (3). 提 出 了 一 种 更 快 更 有 利 于 保 护 硬 件 的 程 序 下 载 方 式 11.2 前 景 与 展 望 作 品 拥 有 广 阔 的 应 用 前 景, 能 为 私 人 企 业 政 府 等 机 构 提 供 便 捷 可 靠 的 U 盘 安 全 解 决 方 案 加 密 器 与 U 盘 相 分 离, 减 小 指 纹 信 息 泄 露 的 威 胁, 在 需 要 保 密 的 部 门 更 便 于 安 全 上 的 管 理, 因 此 将 大 受 欢 迎 41

45 致 谢 首 先 衷 心 感 谢 我 的 导 师 胡 爱 群 教 授! 胡 老 师 在 我 的 本 科 四 年 最 后 的 很 长 的 一 段 时 间 里 给 我 提 供 了 良 好 的 学 习 条 件 和 宽 松 的 研 究 氛 围, 在 实 验 室 里 同 样 可 以 感 觉 到 家 的 温 暖 在 跟 随 胡 老 师 的 这 段 时 间 里, 我 的 学 习 研 究 和 动 手 能 力 有 了 很 大 的 进 步, 不 仅 眼 界 得 到 了 开 阔, 而 且 看 问 题 的 角 度 也 变 得 更 加 全 面 科 学 胡 老 师 渊 博 的 学 识 治 学 严 谨 的 态 度 和 永 不 停 息 的 求 学 精 神, 给 我 很 大 的 启 迪 感 谢 宋 宇 波 老 师 和 秦 中 元 老 师, 在 课 题 研 究 最 困 难 的 时 候 给 予 了 我 继 续 的 信 心, 他 们 不 厌 其 烦 的 和 我 讨 论 交 流, 让 我 重 新 看 到 了 希 望 的 曙 光, 并 且 找 到 解 决 目 录 与 文 件 数 据 分 离 的 手 段 他 们 对 我 的 研 究 成 果 的 肯 定 在 精 神 上 深 深 的 激 励 我 更 加 努 力 的 学 习 和 奋 斗 感 谢 蒋 睿 老 师 在 项 目 前 期 对 我 的 指 导, 他 让 我 明 白 思 维 只 有 经 过 激 烈 的 碰 撞 才 能 长 生 绚 烂 的 光 彩 感 谢 Lakeview Research 的 Janet Louise Axelson 通 过 对 我 的 前 期 工 作 的 指 导, 和 他 的 技 术 网 站 上 提 供 的 丰 富 经 验 以 及 参 考 代 码 感 谢 OpenSSL Linux 开 源 社 区 的 程 序 爱 好 者 们 感 谢 实 验 室 的 金 制 和 周 青 学 长, 是 他 们 在 把 我 从 对 嵌 入 式 的 一 知 半 解 带 入 这 道 门 槛, 在 学 习 资 料 与 实 践 经 验 上 给 予 了 我 很 大 帮 助, 祝 他 们 在 以 后 的 工 作 中 一 帆 风 顺 感 谢 同 课 题 的 范 鹏 飞 刘 慧 慧 同 学, 感 谢 陈 开 志 博 士 和 郭 晓 乔 师 兄, 和 他 们 在 一 起 的 半 年 里 学 习 和 生 活 都 非 常 愉 快, 尤 其 是 讨 论 问 题 共 享 学 习 所 得 是 我 在 学 习 之 余 最 大 的 乐 趣 感 谢 顾 群 老 师 还 有 实 验 室 的 所 有 师 兄 师 姐, 大 家 一 起 为 信 息 安 全 研 究 中 心 营 造 了 良 好 的 学 习 研 究 环 境 感 谢 吴 健 雄 学 院 的 钟 辉 书 记 近 些 年 来 学 习 和 生 活 上 对 我 无 微 不 至 的 关 怀, 给 了 我 很 多 宝 贵 的 机 会, 使 我 视 野 更 开 阔, 对 自 己 信 心 更 加 坚 定 最 后, 感 谢 父 母 姐 姐 和 任 艳 的 关 心 和 支 持, 他 们 一 如 既 往 的 支 持 和 信 任 是 我 永 远 的 动 力 和 信 心 此 外, 在 本 科 四 年 期 间, 还 有 很 多 在 学 业 和 生 活 上 给 我 鼓 励 帮 助 的 老 师 和 同 学, 虽 然 不 能 一 一 列 举 出 他 们 的 名 字, 但 正 是 他 们 默 默 的 帮 助 和 支 持 给 了 我 很 多 美 好 的 回 忆 42

46 参 考 文 献 (Reference) [1] AxelsonJan. USB Mass Storage:Designing and programming Devices and Embedded Hosts[M]. Lakeview Research LLC [2] Compaq, Hewlett-Packard, Intel... Universal Serial Bus Specification[EB/OL] [3] Harlan Carvey, Cory Altheide. Tracking USB storage: Analysis of windows artifacts generated by USB storage devices[j]. Digital Investigation, 2005(2) [4] USB-IF. Universal Serial Bus Mass Storage Class-Bulk Only Transport[EB/OL]. USB Implementers Forum, [5] 匿 名. FAT 文 件 系 统 原 理 [EB/OL]. 数 据 恢 复 : [6] 牛 玲, 李 骞. 信 息 安 全 防 护 与 USB 安 全 控 制 技 术 [J]. 周 口 师 范 学 院 学 报, 2006,23(2) [7] 王 殊, 程 卓. 基 于 CH375 的 嵌 入 式 USB 文 件 加 解 密 系 统 的 设 计. 电 子 技 术 应 用, 2007(8) [8] Microsoft Corporation. Microsoft Extensible Firmware Initiative FAT32 File System Specification[EB/OL] [9] Curtis E Stevens, Mark Gianopulos. USB Communication Device Class Definition for Mass Storage Devices[EB/OL]. USB Implementers Forum [10] 王 梅, 林 君, 刘 俊 华. 一 种 基 于 嵌 入 式 USB-Host 的 大 容 量 数 据 存 储 方 案 及 应 用 [J]. 计 算 机 测 量 与 控 制 (4): [11] Stephen D Wolthusen. Windows device interface security[j]. Information Security Technical Report, 2006(11) [12] 张 井 刚, 刘 德 活. 在 嵌 入 式 系 统 中 提 高 U 盘 访 问 兼 容 性 的 几 种 措 施 [EB/OL] [13] frank_wang. 对 USB 协 议 层 的 深 层 分 析 [EB/OL] [14] frank_wang. USB 项 目 技 术 报 告 [EB/OL] [15] ATMEL Corporation. AT91Bootstrap[EB/OL] [16] William Stallings. Cryptography and Network Security: Principles and Practices [M]. Forth Edition. New Jersey: Pearson Education, [17] 赵 鹏, 蒋 烈 辉. AT91 系 列 微 处 理 器 启 动 过 程 的 分 析 与 实 现 [J]. 电 子 设 计 应 用, [18] 詹 荣 开. 嵌 入 式 系 统 Boot Loader 技 术 内 幕 [EB/OL]. Linux 爱 好 者, [19] INCITS. SCSI Primary Commands-3[EB/OL]. American National Standards Institute [20] ATMEL Corporation. AT91 ARM Thumb Microcontrollers: AT91SAM9260 Preliminary[EB/OL] [21] 深 圳 无 线 互 联 技 术. CA9260 核 心 板 用 户 手 册 [EB/OL] [22] Richard M. Stallman, Roland McGrath, Paul Smith. GNU Make[M]. Version 3.8. MA: Free Software Foundation, 2002 [23] ATMEL Corporation. SAM Boot Assistant(SAM-BA) User Guide[EB/OL] [24] SAMSUNG Electronics. 128M x 8 Bit NAND Flash Memory[EB/OL] [25] William Stallings. Computer organization and architecture[m]. Fifth Edition. New Jersey: Pearson Education, [26] 黄 步 根. 数 据 恢 复 与 计 算 机 取 证 [J]. 计 算 机 安 全,

47 [27] Richard M. Stallman. Using and Porting the GNU Compiler Collection[M]. MA: Free Software Foundation, 2001 [28] 旧 日 足 迹. 高 价 不 高 速, 走 出 USB2.0 接 口 速 度 规 格 误 区 [EB/OL] [29] shuiyan. USB 传 输 速 率 [EB/OL]

48 附 录 1 电 路 图 : 图 28 AT91SAM9260 底 板 电 路 原 理 图 45