基于TMS320VC5410的DES加密系統設計

摘要：數據加密標準DES是對稱密碼體系中應用最廣泛的算法之一。為了滿足信息安全和加密型數據采集系統的密鑰的有效存儲，設計基于 TMS320VC5410系列DSP和SLE5542型IC卡的DES加密系統。采用MeBSPl接口與CD4066開關電源設計了IC卡讀卡器，并通過 CCS開發(fā)環(huán)境編寫、下栽和調試應用程序，完成了DSP與SLE5542卡之間的IS07816-3通信協議。另外通過McBSPO連接MAX232電平轉換器，以軟件形式實現了目標板從RS232接口接收來自PC機的明文數據，系統對其進行DES加密后輸出密文。實驗結果表明系統可以正確讀取IC卡中的 64位密鑰，完成數據加密后準確地顯示在接收端，符合設計要求。
關鍵詞：數據加密標準(DES)；TMS320VC5410；加密；SIE5542

    數據加密是為了保證所傳輸信息的安全而在特定參數(稱為密鑰)的控制下按照某種規(guī)律對原始數據進行的人為擾亂，將其轉換成秘密形式的信息。數據加密標準 (Data Encrvption Standard，DES)是第一個廣泛應用于商用數據保密的、公開的密碼算法，在其公布和正式實施后，成為許多國家政府、銀行和標準組織的信息安全處理標準。然而DES實現信息保密的前提是對于密鑰的有效管理，這就要求基于DES的加密系統必須提供可靠、方便的密鑰保存設備。同時在近20年，DSP處理器的性能得到很大改善，軟件和開發(fā)工具也得到相應發(fā)展，價格大幅下降，應用也越來越廣泛。本文選用TI公司TMS320VC54x系列DSP，采用軟件方式實現DES加密算法，同時以集成電路卡(Integrated Circuit Card)作為密鑰存儲設備。為了解決DSP的通用IO口較少的問題，使DSP片上的一些特殊功能引腳工作在通用輸入輸出引腳狀態(tài)顯得尤為重要。本文結合 DSP運算速度快、片上資源多的特點，研究并實現基于DSP的DES加密系統及其與IC卡以及終端PC機之間的通信協議。

1 DES算法簡介
    DES作為美國國家標準的加密算法，既可用于加密又可用于解密。其加密過程主要分為3個部分，如圖1所示。首先把輸入的數據比特流以每64 bit為一組進行分組得到明文x，之后是一個初始置換，IP，記為Xo=IP(x)=LoRo(Lo代表左邊32 bit，Ro代表右邊32 bit)；然后以每一組作為加密單元，在16個子密鑰(每個子密鑰的長度為48 bit)的控制下根據下列規(guī)則計算LiRi(1≤i≤16)，進行16輪的非線性變換：
  
    每輪中都有換位和代替運算；最后再經過一個逆初始置換IP-1(為IP的逆變換)輸出一組64 bit長的密文。


    對于數據較大的文件加密要求芯片具有很高的處理速度。出于保密通信系統的需求，該系統設計以IC卡作為密鑰的存儲設備，采用TI公司 TMS320VC54x系列DSP實現對來自PC機的明文數據進行DES加密處理。該方案運算速度快、保密性好，具有很高的可擴展性，用于保密的數據采集系統中，對來自數據采集模塊的信號進行DES加密后，傳輸給PC機。

2 系統硬件設計
    結合運算速度，外設接口以及性價比等方面的考慮，選用TI公司TMS320VC54x系列16位定點TMS320VC5410型DSP作為實現DES加密的硬件平臺。它具有較低的功耗與杰出的性能，時鐘最高頻率可以達到100 MHz。另外，TMS320VC5410片上提供了3個可以設置為GPIO接口的多通道緩沖串口(McBSP)，這對外圍設備接口子系統的設計至關重要。系統中除TMS320VC5410基本的工作外圍電路如電源晶振模塊、Flash模塊和JT-AG接口模塊以外，還主要包括以下2部分：1)TMS320VC541O與SLE5542型IC卡片的接口模塊，主要用于系統工作時IC卡向DSP傳送用于數據加密的密鑰和卡片存儲的其他一些用戶信息；2)DSP與PC主機的通信接口模塊，它是DSP與個人電腦的通信接口，主要用于DSP接收明文數據以及將加密后的數據反饋至PC機。
2．1 McBSP簡介
    TMS320VC5410片內包含了3個全雙工的多通道緩沖串口(Multichannel Buffered Serial Ports，McBSP)，分別為McBSP0、McBSPI和McB-SP2。它們可以提供全雙工通信、連續(xù)數據流的雙緩沖數據寄存器、接收和發(fā)送獨立的幀和時鐘，可以直接和系統中的其他器件接口連接并可以配置為通用IO口。McBSP與外設的數據交換，通過DX引腳發(fā)送，RX引腳接收。通信的時鐘與幀信號由CLKX、CLKR、FSX及FSR引腳來控制。T-MS320VC5410對McBSP的控制由2個16 bit的串口控制寄存器(SPCR[1，2])和引腳控制寄存器(PCR)來實現。DSP的CPU或DMA從數據接收寄存器(DRR [1，2])讀取接收數據；發(fā)送時，向數據發(fā)送寄存器(DXR[1，2])寫數據，數據寫入后通過傳輸移位寄存器(XSR[1，2])，移位輸出到DX 上。同樣，從DR上接收的數據，移位存儲到接收移位寄存器(RSR[1，2])，并復制到接收緩存寄存器(RBR[1，2])。然后，再由 (RBR[1，2])復制到DRR[1，2]。DRR[1，2]可以由CPU或DMA讀出。
2．2 DSP與IC卡連接模塊
    選用西門子公司SLE5542型卡片，其引腳定義和功能說明如表1所示。它是一種按字節(jié)操作的多存儲器邏輯加密卡，應答復位符合ISO78 16-3標準。該型卡片內置了3個存儲器：32×1 bit的PROM型保護存儲器、256×1 bit的EEPROM型主存儲器以及32x1 bit的EEPROM型加密存儲器。主存儲器可重復擦除使用，按字節(jié)操作，并分為保護數據區(qū)和應用數據區(qū)，讀出均不受限制，但應用數據區(qū)的擦除和寫入則受加密存儲器中的密碼及密碼計數器保護。


    為了提高硬件的利用率和解決DSP片上通用IO口較少的問題，本系統設計將MeBSPI配置為通過IO口實現其與IC卡片通信的模塊。由于McB-SP引腳中的DX只能配置用作通用輸出腳，DR只能配置用作通用輸入腳，不方便程序編寫對引腳狀態(tài)控制。所以在DSP對卡片讀寫的硬件電路中選擇了MeBSP1 的FSR1、CLKR1、CLKX1、和FSX1這4個引腳，它們均可以通過16位的引腳控制寄存器(PCR)配置為通用I／O引腳。FSR1引腳通過 CD4066開關電源芯片來控制SLE5542卡片的上電與掉電；由CLKR1連接卡片的RST觸點，卡片復位時改變引腳的高低電平狀態(tài)；CLKX1引腳與IC卡片的時鐘觸點CLK相連，該引腳狀態(tài)的高低變化為卡片正常工作提供時鐘信號；FSX1連接卡片數據I／O觸點，負責DSP與IC卡片之間讀寫命令字和用戶有用數據的傳送。注意CLKX1和FSX1引腳要接上拉電阻，且FSX1配置的輸入或輸出狀態(tài)要根據DSP與IC卡之間數據流向而定。
    為了使McBSP1的相關引腳工作在系統需求的通用I／O狀態(tài)，首先需要將該串口的控制寄存器SPCR1中的RRST位和SPCR2中的XRST位均設置為‘O’，使串口復位，串口操作禁止。然后設置引腳控制寄存器PCR中的XIOEN和RIOEN為‘1’，使串口的接收和發(fā)送引腳均工作在通用I／0模式；另外將FSRM、CLKXM和CLKRM位均設置為‘1’，使FSR1、CLKX和CLXR引腳作為通用輸出管腳，將要輸出的值分別存儲在PCR中的FSRP位、CLKXP和CLKRP；對于FSXM位的設置，則需要根據通信時的具體情況而定。
2．3 DSP與PC通信模塊設計
    系統設計中選擇了McBSP0作為TMS320VC5410從外界PC機接收明文數據和輸出密文的通道，直接通過PC機的RS232異步串口與TMS320VC54 10之間進行加密解密數據的傳送。這種方法通過軟件實現PC機與DSP之間的串行雙工通信，它的硬件設計簡單且不會過多占用CPU的時間，
可以實現數據的高速傳輸。
    RS232異步串口采用負邏輯傳送數據，以10 V電壓狀態(tài)表示數據‘O’，-10 V電壓狀態(tài)表示數據‘1’；而DSP的IO口則以3．3 V表示高電平‘1’狀態(tài)或者無數據傳送，以0 V表示低電平‘O’狀態(tài)。因此為了使TMS320VC54lO的多通道緩沖串口與RS232接口進行通信，需要電平轉換電路，本文使用了MAXIM公司MAX232電平轉換器，如圖3所示。



3 系統軟件設計
    選用TI公司CCS(Code Composer Studio)作為該加密系統軟件設計時的開發(fā)和調試工具，使用C語言和匯編混合編程的模式完成軟件設計。由于C語言編程具有便于閱讀、維護、交流和可移植性好的特點，因此采用C語言完成整個程序的主框架設計，在對時間要求比較苛刻的地方或對代碼運行效率有較大影響的場合采用匯編指令編寫。
3．1 DSP讀IC卡軟件實現
3．1．1 McBSP1串口配置
    當把卡片插入卡座時，狀態(tài)開關選通，并且電路板上提示燈亮表示插卡到位，DSP內存中的讀卡狀態(tài)標志位設置為‘1’。TMS320VC5410開始初始化 McBSP1，使其工作在通用IO口狀態(tài)，采用子地址尋址的方式對SPCR11(映射地址為0049h，子地址為00h)、SPCR12(子地址為 01h)和PCR1(子地址為0Eh)等寄存器進行配置。配置代碼如下：
    SPCR11=0x0000；
    SPCR12=0x0000；
    PCR1=0x3F00；
    此時FSR1、FSX1、CLKR1和CLKX1均用作通用輸出管腳。把PCR中的FSRP位設置為‘O’，PCR1＆=0xFFFB；則卡片Voc觸點電平為低，卡片處于掉電狀態(tài)；通過語句PCR1l=0x0004把FSR1引腳置高電平給卡片上電。
    由于DSP的FSX1引腳與卡片的數據I／O觸點相連，要求FSX1引腳具有雙向傳輸的功能，但該引腳在同一時刻只能處于輸入或輸出一種狀態(tài)，為此定義了以下兩個宏實現引腳在輸入與輸出狀態(tài)的改變。

3．1．2 復位與復位應答
    DSP檢測到讀卡狀態(tài)位為‘1’時，給卡片上電，CLK(和RST保留于狀態(tài)L，開始運行讀卡程序將卡中存儲的密鑰讀取至內存中。首先按照 ISO7816-3標準對SLE5542卡片進行應答復位，復位可以發(fā)生在操作過程的任意時刻。之后，RST線被置于H狀態(tài)，并維持至少15μs。在 RST狀態(tài)由高電平到低電平的轉換期間CLK提供一個時鐘脈沖，卡片內的地址計數器(address counter)清零，I／O引腳輸出有效數據的第1位，這一數據可視為復位應答；在此后連續(xù)31個時鐘脈沖的作用下，主存儲器中的前4個地址中的32位標頭數據被讀出；下一個時鐘脈沖使I／O引腳變?yōu)楦咦锠顟B(tài)；此時卡片復位與復位應答完成。
3．1．3 DSP讀卡主程序設計
    圖4為DSP讀IC卡主程序設計?？ㄆ瑥臀粦鹬螅瑒t處于等待指令輸入的狀態(tài)。SLE5542每個指令均由控制字節(jié)、地址字節(jié)和數據字節(jié)組成，傳輸時從控制字節(jié)的最低位開始?？刂谱止?jié)傳送完畢之后，依次傳送地址字節(jié)和數據字節(jié)，均為低位在前。每個指令的傳輸都開始于一個Start條件 (在時鐘信號為高電平狀態(tài)，通過DSP發(fā)送卡片IO口一個下降沿)，結束于Stop條件(在時鐘信號為高電平狀態(tài)，通過DSP發(fā)送卡片IO口一個上升沿)。根據指令作用的不同。SLE5542接收完成后可能處于數據輸出模式(DSP讀卡)或者內部處理模式(DSP寫卡)。


    通過TMS320VC5410發(fā)送讀卡命令和所要讀取內容的地址(N=0，…，255)后，在CLK信號的作用下卡片將主存儲器中的數據按比特移至I／O 引腳發(fā)送至DSP內存中。讀取數據完成后，額外的一個時鐘信號將使I／O引腳變?yōu)楦咦锠顟B(tài)，卡片退出輸出模式等待接收新的指令，也可以用Break條件 (在CLK為低時，把RST信號由低電平變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài))結束此次操作。


    圖5顯示了TMS320VC5410對SLE5542卡片讀卡程序的調試結果，為了驗證讀卡功能的實現，系統讀取了卡片中的所有字節(jié)的內容。其中前8個字節(jié)為‘A2131091FFFF8115’為IC卡的廠商標識；之后地址8～20的13個字節(jié)全為‘FF’是寫保護區(qū)；地址21～26是6個字節(jié)的用戶代碼‘D27600000400’，之后又是5個字節(jié)的寫保護區(qū)；從地址32～255之間的數據是用戶數據區(qū)，可以在這些地址里存放加密系統的密鑰和其他的用戶信息。
3．2 PC通信軟件設計
3．2．1 MeBSP0的初始化配置
    首先通過SPCR1O=0x0000，SPCR20=Ox0000把RRST與XRST位設置為‘O’，使串口復位。設置PCR0=0x0BOC；采樣率由DSP內部產生，接收與發(fā)送幀同步信號為低有效，時鐘上升沿發(fā)送數據、下降沿接收數據。其次通過接收控制寄存器RCR1O(子地址為02h)和 RCR20(子地址為03h)來對DSP串口接收模式進行設置，令RCR10=0x0940；RCR20=0x0004；接收幀長度10字、每字16 bit，忽略除第一個幀同步后的其他幀同步信號。通過傳輸控制寄存器XCR10(子地址為04h)和XCR20(子地址為05h)來對DSP串口發(fā)送模式進行設置，令XCR10=0x0940；XCP20=0x0004；使數據的發(fā)送與接收模式一致。另外，采樣率發(fā)生器控制寄存器SRGR10(子地址為 06h)和SRGR20(子地址為07h)控制采用率發(fā)生器的工作模式。本系統中選擇PC機的串口工作波特率為38 400，采樣率發(fā)生器計算公式為：
    CLKGDV=CPU工作頻率／(16x波特率)-1
    由于TMS320VC5410工作頻率為100 MHz，因此CLKGDV=100 000 000／(16x38 400)-1=161，設置SRGR1=0x00A1，SRGR2=0x2000；最后通過SPCR1=0x0001，SRGR2=0x2000；對串口使能，處于可操作狀態(tài)，至此完成了McBSPO的初始化配置。
3．2．2 數據格式的統一
    DSP通過McBSP0接收外界PC機數據采用中斷方式。這里為了實現TMS320VC5410同步串口與PC機異步串口通信時數據格式的統一，把 McBSP的1個16位字等效為PC機串口傳送的1個8N1模式數據(1個起始位+8個數據位+1個停止位)的1位。PC機串口每發(fā)送1個位的數據，DSP采樣16次暫存數據接收寄存器DRR10(地址為21h)中。例如PC機通過RS232串口傳送數據為‘1’，則DRR10經過16次采用后接收一個字的數據為‘FFFFh’，同理若前者后‘0’，則后者為‘0000h’。之后觸發(fā)McBSPO串口接收中斷，DSP執(zhí)行中斷服務程序將DRR1O 中的有效數據(除去起始位和停止位)取走至內存中，并對計數器加1。當接收到一個完整的幀后，DSP置串口數據解碼標志位為‘1’，DSP開始運行解碼程序，將‘FFFFh’和‘0000h’分別等效為一個比特位‘1’和‘0’，從而恢復出原始的數據幀。
    當DSP對接收到的數據完成加密之后需要反饋輸出，TMS320VC5410串口數據向PC機發(fā)送的過程與數據接收的過程正好相反。每幀數據都需要進行串口編碼之后通過數據發(fā)送寄存器DXR1O(地址為23h)發(fā)出。即把8位有效數據中的‘0’編碼為‘0000h’，‘1’編碼為‘FFFFh’，按照從低位到高位的順序重新排列編碼后的數據，并在幀首和幀尾分別添加起始位‘0000h’和結束位‘FFFFh’，將每組10個數據作為一幀信號發(fā)出。


    圖6顯示了本文設計的加密系統的實驗結果。通過PC機和RS-232串口發(fā)送字符‘11112222’的十六進制形式為‘3131313132323232’共64 bit，TMS320VC5410接收到64 bit明文數據后，通過讀取IC卡中的64 bit密鑰‘310000000000031’并對明文進行DES加密后，輸出密文的十六進制形式為‘96B466D634DE9A2D’。結果顯示系統工作穩(wěn)定可靠，符合設計要求。

4 結論
    本文采用SLE5542型IC卡存儲密鑰，TMS320VC5410中的McBSP引腳與卡片觸點連接并實現對卡片的應答復位和內容的讀取，同時通過RS2 32串口與個人PC機實時交換數據，接收PC機發(fā)送的明文并對其DES加密后反饋輸出。由于McBSP的工作機制是同步串口，把其當作通用I／O口和異步串口使用時必須注意內部寄存器的設置和輸入輸出方向的設定。經軟硬件調試，實驗結果表明該方案完全可以滿足大數據量的加密，合理使用了硬件資源，可以進一步升級擴展作為數據采集保密系統的加密模塊。