嵌入式系统的应用过程中,大量的敏感信息被传播和存储,因此逐渐成为了攻击者恶意攻击的目标。物理不可克隆函数(Physical Unclonable Function,PUF)作为一种新型的硬件安全原语,正在逐步运用到集成电路的安全领域。本文充分地研究了嵌入式系统目前面临的安全威胁,并将PUF结构应用到嵌入式系统安全保护中。在PUF结构的基础上,设计出了能够保障嵌入式系统安全地进行固件更新的互认证协议,同时设计并实现了一种适用于嵌入式系统的安全启动机制。具体研究内容如下:(1)研究了PUF电路的基本结构和应用特性,改良并实现了一种可用于FPGA硬件仿真的PUF结构。并针对市面上强PUF硬件开销大,实用性差的问题,提出了一种弱PUF与混淆逻辑结合构造强PUF的方法,并对其进行了实现和性能测试。实验表明,通过该结构,弱PUF的“激励-响应”对空间得到了指数级别扩展,其性能也有所改善。(2)针对嵌入式系统固件更新过程可能面临的对服务器的身份伪造、对密钥存储的物理攻击、拒绝服务和重放攻击等安全问题,考虑现有协议开销大、抗攻击能力有限等缺陷,设计了一个基于PUF结构的安全互认证协议。该协议利用软硬件结合的机制,能够简便快捷的实现互认证。本文对其性能和安全性进行了论证。(3)针对嵌入式设备启动程序被篡改等安全威胁,设计并实现了一个链式的安全启动机制。该机制以PUF为可信存储根,逐级进行安全验证,该机制能够防止系统被恶意篡改后进行不安全行为。