【星嵌电子XQ138F-EVM开发板体验】（原创）8.安全FPGA防御黑客病毒（芯片设计制造级防护）源代码

嗨，亲爱的工程师、学生和爱好者们，我来啦！欢迎来到神秘的星嵌世界！如果你是一位FPGA工程师或者对嵌入式异构技术感兴趣，那么你来到的地方绝对没错！今天，我们将一起探索一个令人惊叹的星嵌基于TI OMAP-L138（定点/浮点DSP C674x+ARM9）+ FPGA处理器的开发板。

病毒检测和防御是一个复杂的话题，需要在多个层次上进行保护，包括硬件、固件和软件。在实际应用中，要确保遵循最佳实践和行业标准，以确保系统的安全性。

现在我先临时写一个，一会儿我再继续优化写个更高级的（芯片设计源代码）：

library IEEE; -- 导入IEEE库，就像点了一份“全套早餐”，里面啥都有！
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; -- 使用IEEE的标准逻辑库，就像点了一杯“拿铁”，提神醒脑！
use IEEE.NUMERIC_STD.ALL; -- 使用IEEE的数值标准库，就像点了份“数学大餐”，好吃又实用！

entity Packet_Inspector is -- 定义一个实体叫“Packet_Inspector”，听起来像是个“数据包侦探”
    Port ( 
        clk     : in  STD_LOGIC; -- 输入一个时钟信号，就像侦探的“脉搏”，时刻跳动着！
        reset   : in  STD_LOGIC; -- 输入一个复位信号，就像侦探的“橡皮擦”，可以重置一切！
        data_in : in  STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0); -- 输入8位数据，就像侦探手中的“线索”，每个字节都藏着秘密！
        virus_detected : out STD_LOGIC -- 输出一个病毒检测信号，就像侦探手中的“信号弹”，一旦发现病毒就发射！
    );
end Packet_Inspector;

architecture Behavioral of Packet_Inspector is -- 定义“数据包侦探”的行为架构
    -- 定义一个常量，叫“VIRUS_SIGNATURE”，听起来像是个“病毒签名”，就像是侦探的“通缉令”！
    constant VIRUS_SIGNATURE : STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0) := x"AA"; 

    signal current_data : STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0); -- 定义一个信号，叫“current_data”，就像侦探的“当前线索”！
begin

    process(clk) -- 开始一个进程，跟着“时钟”走，就像侦探跟着“时间线”查案！
    begin
        if rising_edge(clk) then -- 当“时钟”上升沿到来时，就像侦探抓住了“关键时刻”！
            if reset = '1' then -- 如果“复位”信号为1，就像侦探接到了“重新开始”的命令！
                current_data <= (others => '0'); -- 将“当前线索”清零，就像侦探把线索都忘掉，重新开始！
                virus_detected <= '0'; -- 将“病毒检测信号”清零，就像侦探把“信号弹”收起来，暂时没有病毒！
            else -- 如果不是“复位”状态，就像侦探进入了“正式查案”阶段！
                current_data <= data_in; -- 更新“当前线索”，就像侦探接收了新的线索！
                
                -- 下面这个判断就像是侦探的“破案逻辑”：如果“当前线索”和“通缉令”上的签名一样，那就说明找到了病毒！
                if current_data = VIRUS_SIGNATURE then
                    virus_detected <= '1'; -- 于是侦探就发射了“信号弹”，表示找到了病毒！
                else
                    virus_detected <= '0'; -- 如果没有找到病毒，侦探就把“信号弹”收起来，继续查案！
                end if;
            end if;
        end if;
    end process;
end Behavioral;

在芯片设计制造中要编写这样的防御黑客病毒系统，需要对FPGA编程有深入的了解，熟悉硬件描述语言（如VHDL或Verilog），以及数字逻辑设计和计算机架构的知识。此外，还需要对病毒和恶意软件的行为模式有深入的了解，以便设计出有效的特征提取和匹配算法。下面是更优化的高级版：

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.numeric_std.all;

entity virus_monitor is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           reset : in STD_LOGIC;
           -- FPGA与外部系统通信的接口
           external_interface : inout STD_LOGIC_VECTOR (31 downto 0);
           -- 网络接口，用于发送警报
           network_interface : inout STD_LOGIC_VECTOR (31 downto 0));
end virus_monitor;

architecture Behavioral of virus_monitor is
    -- 定义状态机的状态
    type state_type is (IDLE, MONITORING, ALERT);
    signal current_state : state_type;
    
    -- 定义用于存储监控信息的缓冲区
    type file_activity_array is array (0 to 255) of STD_LOGIC_VECTOR(255 downto 0);
    signal file_activities : file_activity_array;
    
    -- 定义用于记录可疑行为的计数器
    signal suspicious_activity_count : integer range 0 to 255;
    
    -- 其他需要的信号和变量
    
begin
    -- 状态机逻辑
    process(clk, reset)
    begin
        if reset = '1' then
            current_state <= IDLE;
            suspicious_activity_count <= 0;
        elsif rising_edge(clk) then
            case current_state is
                when IDLE =>
                    -- 等待开始监控的命令
                    if external_interface_command = START_MONITORING then
                        current_state <= MONITORING;
                    end if;
                
                when MONITORING =>
                    -- 监控文件系统的活动
                    -- 检查文件活动并更新file_activities数组
                    -- 如果检测到可疑行为，增加suspicious_activity_count
                    if suspicious_activity_detected then
                        suspicious_activity_count <= suspicious_activity_count + 1;
                        if suspicious_activity_count >= THRESHOLD then
                            -- 达到警报阈值，发送警报
                            send_alert_via_network(network_interface);
                            current_state <= ALERT;
                        end if;
                    end if;
                
                when ALERT =>
                    -- 处理警报，例如重置计数器或等待确认
                    if alert_acknowledged then
                        current_state <= IDLE;
                        suspicious_activity_count <= 0;
                    end if;
                
                when others =>
                    current_state <= IDLE;
            end case;
        end if;
    end process;
    
    -- 其他必要的逻辑，如与外部系统的通信、文件活动监控等
    
    -- 发送警报的函数
    procedure send_alert_via_network(network_if : inout STD_LOGIC_VECTOR) is
    begin
        -- 将警报信息打包并通过网络接口发送
        -- 这里需要实现网络通信协议的具体细节
    end procedure;
    
    -- 其他必要的过程和函数
    
end Behavioral;

我再在FPGA（芯片设计制造级）上设计一个用于实时监控和报告病毒活动的系统：

-- 假设我们有一个简单的数据接口，用于接收数据流
entity VirusMonitorSystem is
    Port (
        clk             : in  STD_LOGIC;           -- 时钟信号
        reset           : in  STD_LOGIC;           -- 复位信号
        data_in         : in  STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);  -- 输入数据（假设为8位）
        data_valid      : in  STD_LOGIC;           -- 数据有效标志
        virus_detected  : out STD_LOGIC;           -- 病毒检测标志
        alarm_triggered : out STD_LOGIC           -- 警报触发标志
    );
end VirusMonitorSystem;

architecture Behavioral of VirusMonitorSystem is
    -- 假设我们有一些预定义的病毒特征
    constant VIRUS_SIGNATURE : STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0) := "10101010";
    
    -- 寄存器，用于存储当前接收到的数据
    signal current_data : STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0) := (others => '0');
    
    -- 内部信号，用于指示是否检测到病毒
    signal virus_flag : STD_LOGIC := '0';
    
    -- 计数器，用于跟踪连续检测到病毒特征的次数
    signal consecutive_detections : INTEGER range 0 to 10 := 0;
begin
    
    -- 主逻辑
    process(clk, reset)
    begin
        if reset = '1' then
            -- 复位逻辑
            consecutive_detections <= 0;
            virus_flag <= '0';
        elsif rising_edge(clk) then
            -- 数据有效且接收到新的数据
            if data_valid = '1' then
                current_data <= data_in;
                
                -- 检查当前数据是否与病毒特征匹配
                if current_data = VIRUS_SIGNATURE then
                    consecutive_detections <= consecutive_detections + 1;
                    
                    -- 如果连续检测到一定次数的病毒特征，则触发病毒标志
                    if consecutive_detections >= 5 then
                        virus_flag <= '1';
                    end if;
                else
                    -- 重置计数器，因为未检测到病毒特征
                    consecutive_detections <= 0;
                    virus_flag <= '0';
                end if;
            end if;
            
            -- 根据病毒标志设置输出
            virus_detected <= virus_flag;
            
            -- 如果检测到病毒，触发警报
            alarm_triggered <= virus_flag;
        end if;
    end process;
    
end Behavioral;

用我自己的语言解释一下程序:

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.numeric_std.all;

-- 我们从全球硬件图书馆借来了IEEE的两本秘籍：一本是关于神秘的逻辑门阵列（std_logic_1164），另一本则是数字修炼指南（numeric_std）。

entity virus_monitor is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;           -- 这是我们的时空沙漏，每次流沙滴落代表一个时钟周期。
           reset : in STD_LOGIC;           -- 一旦这个“重启魔法棒”被激活，我们就回到初始状态，一切重新开始。
           external_interface : inout STD_LOGIC_VECTOR (31 downto 0);  
               -- 这是与外界沟通的秘密通道，可以发送和接收32位的信息码。
           network_interface : inout STD_LOGIC_VECTOR (31 downto 0)); 
               -- 这个是警报发射器，用来向网络世界广播病毒入侵的消息。
end virus_monitor;

architecture Behavioral of virus_monitor is
    -- 状态机就像一个会变脸的小丑，我们定义了它的三种面具：无所事事(IDLE)、警惕监视(MONITORING)和高能警告(ALERT)。
    type state_type is (IDLE, MONITORING, ALERT);
    signal current_state : state_type;

    -- 我们有一个超级文件活动笔记本(file_activity_array)，可以记录256条长达256字节的事件。
    type file_activity_array is array (0 to 255) of STD_LOGIC_VECTOR(255 downto 0);
    signal file_activities : file_activity_array;

    -- 为了统计可疑行为，我们准备了一个可以计数到255次的迷你计数器(suspicious_activity_count)。
    
    -- 其他神奇的小道具还在后头...

begin
    -- 状态机小丑的核心表演流程
    process(clk, reset)
    begin
        if reset = '1' then
            -- 如果有人挥舞了“重启魔法棒”，小丑就恢复到最初的面具(IDLE)并清零可疑行为计数器。
            current_state <= IDLE;
            suspicious_activity_count <= 0;
        elsif rising_edge(clk) then
            -- 每当时空沙漏滴落一次...
            case current_state is
                when IDLE =>
                    -- ...如果收到“开始监视”的命令，小丑就会戴上监视面具(MONITORING)。
                    if external_interface_command = START_MONITORING then
                        current_state <= MONITORING;
                    end if;
                
                when MONITORING =>
                    -- 监视期间，小丑密切关注文件系统的动态，将所有活动记录在超级笔记本中。
                    -- 若发现可疑行为，就让迷你计数器加一，如果累计次数超过阈值，它就要切换到高能警告面具(ALERT)，并通过网络接口发送警报信号！
                    if suspicious_activity_detected then
                        suspicious_activity_count <= suspicious_activity_count + 1;
                        if suspicious_activity_count >= THRESHOLD then
                            send_alert_via_network(network_interface);
                            current_state <= ALERT;
                        end if;
                    end if;
                
                when ALERT =>
                    -- 处于警告状态时，小丑等待外部世界的回应。一旦得到确认，它就回归初心，重置计数器并换回无所事事面具(IDLE)。
                    if alert_acknowledged then
                        current_state <= IDLE;
                        suspicious_activity_count <= 0;
                    end if;
                
                when others =>
                    -- 如果小丑突然不知道自己戴的是哪张面具，那就默认回归无所事事面具(IDLE)吧。
                    current_state <= IDLE;
            end case;
        end if;
    end process;
    
    -- 更多精彩的魔术表演在这里继续...比如如何与外界交流以及如何真正监控文件活动

    -- 发送警报的魔法仪式
    procedure send_alert_via_network(network_if : inout STD_LOGIC_VECTOR) is
    begin
        -- 将警报信息打包成魔力包裹，并通过网络接口投递出去，这里涉及的具体咒语和手势需要进一步研究和施展。
    end procedure;

    -- 其他的魔法和咒语待续...
    
end Behavioral;

-------------------------

-- 接下来是我们FPGA上的另一个角色：VirusMonitorSystem，它是实时监测并报告病毒活动的小侦探！

entity VirusMonitorSystem is
    Port (
        clk             : in  STD_LOGIC;           -- 这是我们的侦探手表，每震动一下代表一个时钟周期。
        reset           : in  STD_LOGIC;           -- 这是一枚“真相橡皮擦”，抹去所有已知线索，回到起点。
        data_in         : in  STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);  -- 这是接收到的8位秘密情报。
        data_valid      : in  STD_LOGIC;           -- 这是一个信任徽章，只有当情报有效时才会亮起。
        virus_detected  : out STD_LOGIC;           -- 这是发现病毒的提示灯。
        alarm_triggered : out STD_LOGIC           -- 这是触发全城警报的按钮。
    );
end VirusMonitorSystem;

architecture Behavioral of VirusMonitorSystem is
    -- 假设我们知道一种名为"VIRUS_SIGNATURE"的独特病毒标记，它看起来像一串神秘的二进制代码"10101010"。

    -- 侦探有个短期记忆区(current_data)，用于存储最近接收到的情报。
    signal current_data : STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0) := (others => '0');
    
    -- 内部暗号(virus_flag)，表示是否找到病毒踪迹。
    signal virus_flag : STD_LOGIC := '0';
    
    -- 一个小型记事本(consecutive_detections)，记录连续发现病毒标记的次数。
    signal consecutive_detections : INTEGER range 0 to 10 := 0;
begin
    
    -- 侦探的主要调查过程
    process(clk, reset)
    begin
        if reset = '1' then
            -- 当“真相橡皮擦”使用时，清理所有痕迹，记事本归零，暗号熄灭。
            consecutive_detections <= 0;
            virus_flag <= '0';
        elsif rising_edge(clk) then
            -- 当信任徽章(data_valid)亮起且有新情报(data_in)到来时...
            if data_valid = '1' then
                current_data <= data_in;  -- 记录下这次的情报
                
                -- 检查当前情报是否符合病毒标记(VIRUS_SIGNATURE)
                if current_data = VIRUS_SIGNATURE then
                    consecutive_detections <= consecutive_detections + 1;  -- 如果匹配，记事本上增加一笔
                    
                    -- 如果连续五次都找到病毒标记，那就在内部燃起暗号(virus_flag)
                    if consecutive_detections >= 5 then
                        virus_flag <= '1';
                    end if;
                else
                    -- 如果没找到病毒标记，那就把记事本清零，暗号也熄灭。
                    consecutive_detections <= 0;
                    virus_flag <= '0';
                end if;
            end if;
            
            -- 根据内部暗号(virus_flag)点亮或熄灭病毒提示灯(virus_detected)
            virus_detected <= virus_flag;
            
            -- 如果找到了病毒踪迹，毫不犹豫按下触发全城警报的按钮(alarm_triggered)
            alarm_triggered <= virus_flag;
        end if;
    end process;
    
end Behavioral;

这样的解释，不仅让你理解了代码的功能，还让你在轻松愉快的氛围中学习了VHDL编程！

在FPGA上设计一个用于病毒防御的硬件需要考虑到以下情况：

1. 数据捕获与预处理

   • FPGA可以接收来自网络接口或存储设备的原始数据（如网络数据包或文件数据）。
   • 使用硬件逻辑对数据进行预处理，如解封装、解码、格式转换等。

2. 特征提取

   • 在FPGA上实现特定的硬件逻辑，用于从捕获的数据中提取病毒特征。
   • 特征可以包括文件元数据、文件头部签名、特定字符串或字节模式等。

3. 特征匹配

   • 利用FPGA的并行处理能力，实现高效的特征匹配算法，如Bloom过滤器、哈希表查找或并行位操作。
   • 这些算法用于检查提取的特征是否与已知的病毒签名匹配。

4. 病毒处理

   • 如果检测到病毒，FPGA可以触发一系列的处理操作，如数据隔离、加密、删除或报告给主机系统。
   • 硬件加速器可以支持快速的数据路由和重定向，以隔离受感染的数据。

5. 与主机系统的交互

   • FPGA需要与主机系统（通常是CPU和内存）进行通信，以接收指令、报告结果或请求进一步的处理。
   • 这可以通过PCIe、AXI或其他专用接口实现。

6. 更新与配置

   • FPGA上的病毒防御系统需要定期更新，以应对新出现的病毒和恶意软件。
   • 设计一个机制来接收、验证和加载新的病毒签名或算法更新。

7. 安全考虑

   • 在设计和实现过程中，确保FPGA硬件加速器本身的安全性至关重要。
   • 需要防止未授权的访问、篡改或恶意利用FPGA上的硬件逻辑。

8. 防御机制：实现硬件级的安全机制，如加密、解密、签名验证等，以防止病毒代码的进一步传播和感染。

9. 验证和测试：在实现基于特征码的病毒检测算法后，需要进行详细的验证和测试，以确保其正确性和性能。这可能涉及使用仿真工具、原型板卡和实际病毒样本进行测试。

10. 优化资源利用和时钟周期：在实现基于特征码的病毒检测算法时，需要关注FPGA资源的利用情况，如逻辑单元、触发器、内存等。优化算法实现以最大限度地利用FPGA资源，并减少所需的时钟周期，以提高性能。

今天先写到这里...

接上七篇：

【国产FPGA+OMAPL138开发板体验】1.嵌入式异构技术

【国产FPGA+OMAPL138开发板体验】（原创）2.手把手玩转游戏机械臂

【国产FPGA+OMAPL138开发板体验】（原创）3.手把手玩转ARM与FPGA通信

【国产FPGA+OMAPL138开发板体验】（原创）4.FPGA的GPMC通信（ARM）EDMA

【国产FPGA+OMAPL138开发板体验】（原创）5.FPGA的AI加速源代码

【国产FPGA+OMAPL138开发板体验】（原创）6.FPGA连接ChatGPT 4

【国产FPGA+OMAPL138开发板体验】（原创）7.硬件加速Sora文生视频源代码

我在本论坛内的试读经验 :

《电子工程师必备——九大系统电路识图宝典》+附录2化整为零和集零为整电路分析方法

《运算放大器参数解析与LTspice应用仿真》+学习心得4第三章专用放大器

《Android Runtime源码解析》+深入体会第六章ART的执行（4）

希望上面的经验能对您有所帮助！

谢谢！

还没吃饭中
2024年3月3日