集成电路芯片在现代科技的各个领域都扮演着至关重要的角色,从智能手机、汽车电子、医疗设备,到具有国家战略意义的军用武器,都离不开芯片。现在芯片设计的分工合作使得人们无法控制集成电路的整个环节,攻击者很可能利用集成电路设计、制造的某个环节对电路进行篡改,恶意植入硬件木马电路。硬件木马设计、检测逐渐受到重视,成为集成电路领域一个新的研究热点。基于此,本文主要研究数字类型硬件木马电路的设计方法,选用ARM9处理器软核作为目标电路,详细研究了硬件木马在RTL级、网表级的设计策略,然后在处理器上设计了数十种RTL级木马电路和一种网表级木马电路。RTL级包括功能型木马、降低性能的木马和泄露信息的木马。最后通过软件仿真测试所有木马电路的有效性,利用FPGA验证RTL级木马触发电路的工作状态,并结合在RTL级提出的三条设计规则,对木马电路的性能做出归纳总结。本文完成的研究工作和所做的贡献主要包括:第一,概述现有的硬件木马技术。包括硬件木马的特点、分类,常用的设计方法和检测方法,分析了它们各自的优缺点。第二,建立硬件木马攻击模型。这个模型站在攻击者的角度,建立植入硬件木马电路从而攻击芯片的整个过程,结合目标电路ARM9处理器内核,罗列木马电路的攻击点。第三,提出硬件木马设计策略。包括RTL级硬件木马的三条设计规则,网表级木马的设计规则,以及如何设计木马的保护电路。基于这些策略,共设计了14个木马电路,包括9个修改功能型、3个降低性能型、1泄露信息型木马,以及1个网表级木马。在论文中给出了每个木马电路的实现过程和设计目的,大多数电路的侧重点都在于木马触发电路的设计。第四,制定硬件木马验证方案。通过软件仿真证明木马电路功能的正确性,FPGA硬件测试木马触发电路的实际工作状态。再结合植入木马后电路的功耗、面积,以及木马电路的触发率等方面来评判木马的性能,最后给出文中设计的数字型硬件木马优劣的结论。为了模拟ARM9的实际工作环境,本课题还设计了10个嵌入式程序。