基于FPSLIC設計的DES解密和AES的分組加解密的實現(xiàn)

　　1 引言

　　美國Atmel公司生產(chǎn)的AT94K系列芯片是以Atmel0.35的5層金屬CMOS工藝制造。它基于SRAM的FPGA、高性能準外設的Atmel8位RISCAVR單片機。另外器件中還包括擴展數(shù)據(jù)和程序SRAM及器件控制和管理邏輯。圖1-1是Atmel公司的FPSLIC內(nèi)部結構圖。

　　圖1-1FPSLIC內(nèi)部結構圖

　　AT94K內(nèi)嵌AVR內(nèi)核，Atmel公司的FPSLIC可編程SOC內(nèi)嵌高性能和低功耗的8位AVR單片機，最多還帶有36KB的SRAM，2個UART、1個雙線串行接口，3個定時/計數(shù)器、1個88乘法器以及一個實時時鐘。通過采用單周期指令，運算速度高達1MPS/MHz，這樣用戶可以充分優(yōu)化系統(tǒng)功耗和處理速度。AVR內(nèi)核基于增強型RISC結構，擁有豐富的指令系統(tǒng)以及32個通用工作寄存器。而且所有通用寄存器都與算術邏輯單元ALU相連;另外，在一個時鐘周期內(nèi)，執(zhí)行單條指令時允許存取2個獨立的寄存器，這種結構使得代碼效率更高，并且在相同的時鐘頻率下，可以獲得比傳統(tǒng)的CISC微處理器高10倍的數(shù)據(jù)吞吐量。AVR從片內(nèi)SRAM執(zhí)行程序，由于AVR運行代碼存儲在SRAM中，因此它可以提供比較大的吞吐量，這樣可以使其工作在突發(fā)模式上。在這種模式上，AVR大多時間都是處于低功耗待機狀態(tài)，并能在很短的時間里進行高性能的處理。微處理器在突發(fā)模式運行模式下的平均功耗要比長時間低頻率運行時的功耗低得多。FPSLIC的待機電流小于100，典型的工作電流為2-3mA/MHz。在系統(tǒng)上電時，F(xiàn)PGA配置SRAM和AVR程序SRAM都能自動地通過Atmel在系統(tǒng)可編程串行存貯器AT17來裝載。

　　2 FPSLIC硬件的設計實現(xiàn)：

　　2.1 硬件實現(xiàn)框圖

　　圖2-1系統(tǒng)硬件實現(xiàn)框圖

　　圖2-1是為了實現(xiàn)加密算法的硬件框圖。計算機通過它的串口和FPSLIC的通信端口UART0相連，用來進行數(shù)據(jù)的傳送和接收。FPSLIC通過AVR的通信端口等待接收主機傳來的信息，通過內(nèi)部的下載程序將數(shù)據(jù)進行處理，最后再傳回到主機上。圖2-1中FPGA是一個計數(shù)器，此計數(shù)器一上電就從0計數(shù)，并用進位輸出信號產(chǎn)生一個AVR中斷，即進位輸出信號RCO連接到AVR的中斷信號INTA0。當AVR接收到由計數(shù)器的進位信號產(chǎn)生的中斷時，則執(zhí)行INTA0的中斷服務程序(ISR)。在此期間，AVR就給INTA0產(chǎn)生的次數(shù)計數(shù)，并把它放到8位的AVR-FPGA數(shù)據(jù)總線上，這時就會觸發(fā)AVR的寫使能信號(FPGA的aWE信號端)和FPGA的I/OSELECT0信號(FPGA的LOAD信號端)，同時從AVR——FPGA數(shù)據(jù)總線上將數(shù)據(jù)載入計數(shù)器。數(shù)碼管的各極連接在實驗板上的可編程端口，通過引腳配置用來顯示數(shù)據(jù)。LED指示燈在AVRI/O輸出的D口，直接將數(shù)據(jù)通過命令PORTD來顯示。FPGA的時鐘通過GCLK5選自AVR單片機的時鐘。我們以DES數(shù)據(jù)加密為例，由仿真試驗可以得出DES加密的速率為57.024kbit/s,它大于串口的最大速率19.2kbit/s，因此可以實時進行數(shù)據(jù)的加密操作。

　　一個典型的FPSLIC設計通常應該包括以下幾個步驟：

　　1.利用聯(lián)合仿真軟件建立一個FPSLIC工程。

　　2.預先建立一個AVR軟件仿真程序文件。

　　3.預先建立一個FPGA的硬件仿真程序文件。

　　4.設置和運行AVR-FPGA接口設計。

　　5.運行布局前的聯(lián)合仿真Pre-layoutConverification(這一步是可選擇的)。

　　6.運行Figaro-IDS進行FPGA的布局布線。

　　7.運行布局后的聯(lián)合仿真Pos-layoutConverification(這一步是可選擇的)。

　　8.器件編程數(shù)據(jù)下載與實驗驗證。

　　我們以DES數(shù)據(jù)加密為例，(新建的工程名為lab1.apj,AVR仿真程序文件為desjiami.asm，F(xiàn)PGA的硬件仿真程序為Count.vhdl)。

　　2.2 編譯AVR的仿真程序軟件

　　(以上程序代碼是整個仿真的程序框架，最主要的是對接口進行初始化和對發(fā)送和接收部分進行設置，以便進行串口的通信)

　　2.3 器件編程與試驗驗證

　　1.將下載電纜ATDH2225的25針的一端從計算機的并行口接出，令一端10針扁平線插入ATSTK94實驗板的J1插頭上。下載電纜的標有紅色的線和J1插頭的第一腳連接。

　　2.因為要和計算機串口進行通信，因此要制作一個串口連接電纜，其九針連接電纜的連接關系如下圖2-2。電纜一端連接在計算機的任意串口上，另一端連接在實驗板上的UART0上。連接電纜只需要連接三根線，UART0的2端連接在FPSLIC的發(fā)送端，因此它和計算機的串口2端(接收數(shù)據(jù)端)相連。UART0的3端連接在FPSLIC的接收端，因此它和計算機的串口2端(發(fā)送數(shù)據(jù)端)相連。

　　3.選擇4MHz時鐘，即在實驗板上將JP17設置在靠近板子內(nèi)側位置，而將JP18不連接，也就是將其連接跳線拔掉。

　　4.將直流9V電源接頭插入ATSTK94實驗板的電源插座P3上。

　　5.將實驗板上的開關SW10調(diào)至PROG位置。開關SW10有編程(PROG)和運行(RUN)兩種連接。在編程位置，用戶可以通過下載電纜和下載程序軟件CPS,將SystemDesigner生成的FPSLIC數(shù)據(jù)流文件給配置存儲器編程。在運行位置，F(xiàn)PSLIC器件將載入數(shù)據(jù)流文件并運行該設計。

　　6.打開電源開關SW14,即將它調(diào)整到ON位置。這時候實驗板上電源發(fā)光二極管(紅色)發(fā)光，表示實驗板上已經(jīng)上電。這樣，硬件就連接完畢，等待下一步的數(shù)據(jù)下載。

　　7.單擊OK按鈕，即生成數(shù)據(jù)流文件，它將下載到ATSTK94實驗板的配置存儲器中，這時，Atmel的AT17配置可編程系統(tǒng)(CPS)窗口被打開，如下圖2-3，并自動給器件編程。

　　圖2-3FPSLIC控制寄存器設置對話框

　　在Procesure下拉列表框中選擇/PPartition,ProgramandVerifyfromanAtmelFile。在Family下拉列表框中選擇AT40K/Cypress,在Device下拉列表框中選擇AT17LV010(A)(1M)。其余采用系統(tǒng)的默認值。然后點擊StartProduce按鈕，如果電纜等硬件設置正確，那么程序將下載到實驗板上。

　　8.將開關SW10調(diào)至RUN位置，打開串口調(diào)試程序Accesspot129軟件。對于Accessport129的設置為：串口為COM1(根據(jù)用戶選擇的計算機端口來設定),波特率：9600，校驗位：NONE，數(shù)據(jù)位為8，停止位選擇1，串口開關選擇開;

　　3 試驗結果：

　　圖3-1中，下面方框中是要輸入的64比特的明文，(程序中輸入的明文為0123456789ABCDEF),當這64個比特的數(shù)據(jù)全部輸入完畢后，點擊發(fā)送按鈕，在軟件上方的數(shù)據(jù)接收端顯示出經(jīng)過DES算法加密后的密文(85E813540F0AB405)。通過硬件實現(xiàn)的的結果和實際仿真結果是完全一致的。同時通過數(shù)碼管也分別顯示出最后的加密數(shù)據(jù)。至此整個硬件試驗結束。

　　圖3-1Accesspot串口調(diào)試軟件顯示的結果圖

　　從上面的串口調(diào)試軟件可以看出，DES算法的仿真是正確的也是可以在實際中應用的。同理，可以通過以上的方法來實現(xiàn)DES解密和AES等其它的分組加解密。