软硬一体化自主防危系统实现

引 言

计算机系统由软件系统和硬件系统组成。硬件系统的核心是 CPU，中央处理器，而软件系统的核心则为操作系统等。目前我国使用的计算机系统，绝大多数来自美国的软件生产商 Microsoft， 而硬件核心 CPU 在 PC 端主要来自Intel 和 AMD。可以说，我国的计算机系统安全性是十分脆弱的， 这不仅反映在计算机系统中的重要的信息很容易被窃取，更严重的是计算机系统对外来的攻击几乎没有抵御能力，来自怀有各种图谋的黑客（包括释放病毒者）很容易使计算机系统瘫痪。对于军事、政府和金融等国家机要部门的计算机系统来说， 这种威胁直接关系到国家政治、军事和经济的安全[1]。

本文基于北京多思公司自主研发的ASYM32 芯片，开发了面向工业控制的防危系统，并以工业中石灰窑煅烧进行仿真模拟，实现了软硬件产品的完全自主可控。

1 ASYM芯片介绍

北京多思公司自主研发的芯片ASYM32-1 是一款主要面向支付终端和通讯终端的 32 位嵌入式SoC 安全芯片。该芯片采用 32 位 ASYM CPU 内核，提供有先进的硬件加密和安全功能，同时集成了丰富的IO 接口类型，可做为主控CPU 芯片方便地实现各类安全终端设备的设计。

ASYM 是非对称宏指令体系结构，其芯片的逻辑关系和指令体系可由应用改变。一个逻辑可支持多种算法配置，一个逻辑可支持多种指令编码[2]。一个芯片在应用中可以由使用者设置无穷的指令编码，使得每一个装备都具有“个性化”的体系（指令，数据）。在网络中，攻击者需要针对每一个设备实施攻击，而不是像今天一样 ：每一个设备的逻辑与指令都是相同的，攻击者只要有一次成功的（病毒，木马）攻击，就可以实现对所有设备的成功攻击。非对称宏指令体系结构最大特点就是威慑攻击，使设计制造成本降低，性能提高。应用安全 ：禁止反汇编、反编译、信息窃取及攻击。

2 工业防危

对于工业控制系统的安全而言，我们关注的焦点不应只是在网络安全（Security），保证信息本身的机密性和完整性，更为重要的是要关注工控系统安全问题可能对被控设备、乃至整个生产系统的破坏（本质安全），关注工控系统自身的防危性（Safety）。根据对可信计算和安全计算概念的界定，衡量一个系统的可信程度包括可用性、可靠性、防危性、安全性、可维护性[3] 等相关特征。防危性是指系统可持续提供正常功能或不破坏其他系统和相关人员生命安全的方式中断服务的概率。基于此，这里提出的防危机制主要包括四个部分： 主动防危、实时防危、全局防危及自主防危[4]。主动防危，即提高系统的预测能力，提高系统主动防御能力；实时防危，即利用预设的规则，通过高效的计算，进行实时现场异常检测， 及时发现出现的异常操作和异常节点，做到对系统的实时现场异常检测 ；全局防危就是对于较复杂的工控系统建立起系统网络模型 ；自主防危即对工控系统实施保护并实现状态回归。

3 系统实现

多思 ASYM32芯片采用的是forth编程语言，forth是一种可扩展的，交互式的语言。最初为小型的嵌入式电脑设计的， 现在它几乎可以在任何主流的芯片上解译和编译。由于 forth 采用地址流结构，实行堆栈操作，代数运算用逆波兰表达式（将运算符放在后面的表示方法）等，使其运行速度很快，接近于汇编语言的速度，能够满足系统的实时控制要求。forth的基本语言就是forth中的“词”，“词”的功能类似于其他高级语言的函数或子程序调用。而一般的高级语言中的函数、子程序、语句以及过程的概念，在forth中都不存在，它们全都由forth中的“词”来替代。

利用forth编程语言，可实现基于 ASYM32的工业石灰石煅烧仿真系统，以用于模拟工业防危过程，图 1所示是工业石灰石煅烧的系统图。

图 1 中，运石量，运煤量以及风机流量为控制量，而窑顶温度，煅烧区温度以及出灰温度为因变量。通过计算机模拟控制运煤量、运石量、风机流量，实现石灰窑温度状态的变化，从而通过防危系统的规则引擎实现公式计算、趋势分析以及状态预测，从而反作用于控制量，同时实现告警和趋势预测，拒绝危险动作等。具体的石灰石煅烧仿真系统如图 2 所示，仿真系统与防危系统由两个 forth 开发板来完成，而上位机显示则直接用PC 来完成显示。计算机与forth 开发板，开发板与开发板之间数据通信均通过串口RS 232 来实现。

4 实验结果和分析 

通过多思公司提供的 ASYM_Compile_Project 软件将编 写好的防危系统程序以及石灰窑仿真系统程序编译后，写入 forth 芯片开发板运行。实验结果如表 1 所列。

在防危系统中预先输入正常的定值以及计算公式和规则， 通过改变运石量、运煤量和风机流量的值，实现了防危系统中单点、状态、预测、趋势、动作。由此可见工业控制防危系统在工业控制中有很好的应用，且使用基于forth 编程语言的自主ASYM 芯片，更加提高了工业生产控制中的安全性和稳定性。

5 结 语

本文基于北京多思公司自主研发的ASYM32 芯片，利用forth 编程语言，开发了面向工业控制的防危系统，同时针对传统工业控制系统中防危技术的不足进行了改进，以工业石灰窑煅烧进行仿真模拟，实现了软硬件产品完全自主可控的一套工业控制系统。