一種基于SMS4的加密通信可編程片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　8位串行收發(fā)功能邏輯提供8位數(shù)據(jù)收發(fā)、接收線狀態(tài)檢測、MODEM線控制與線狀態(tài)檢測功能。128位收發(fā)邏輯使128位SMS4密文和8位串行收發(fā)數(shù)據(jù)之間的傳輸能夠平滑、順暢地進(jìn)行。面向串行通信的SMS4算法邏輯在完成128位SMS4加解密運(yùn)算的同時(shí)，還具備FPGA資源利用少、加解密吞吐量與串行通信吞吐量匹配的特點(diǎn)。非128位明文的加密傳輸數(shù)據(jù)控制邏輯重點(diǎn)解決非128位明文的加解密運(yùn)算和串行傳輸問題。處理器訪問接口邏輯為處理器提供8位數(shù)據(jù)位寬的訪問接口，使處理器對(duì)SMS4加密通信控制器IP的訪問方式盡可能地接近于一般的8位串行通信控制器。

　　2.2 加密通信IP核仿真驗(yàn)證

　　本文設(shè)計(jì)了SMS4加密通信控制器IP核完成加密通信，圖4為SMS4加密通信控制器IP的原理框圖。

　　采用Altera公司的Quartus II FPGA開發(fā)工具完成SMS4加密通信控制器IP的HDL代碼編譯。

　　使用ISim仿真器進(jìn)行SMS4加密通信控制器數(shù)據(jù)接收與發(fā)送仿真，得到仿真波形，如圖5和圖6所示。SMS4加密通信控制器IP對(duì)加密算法、數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)緩沖、接收線狀態(tài)等功能進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，各個(gè)模塊既相對(duì)獨(dú)立又有機(jī)組合，可完成各自功能，不同模塊之間進(jìn)行數(shù)據(jù)和信號(hào)的交換實(shí)現(xiàn)時(shí)序控制、信息交互，從仿真結(jié)果可看出，SMS4加密通信控制器IP在不影響通信吞吐量的情況下，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的SMS4的加解密處理。

　　如圖5所示，SMS4加密通信控制器IP接收數(shù)據(jù)通過信號(hào)wb_cyc_i作為計(jì)數(shù)器，每接收一個(gè)有效數(shù)據(jù)，產(chǎn)生一次脈沖。we_sel_i表示接收控制器片選信號(hào)，在接收期間保持為高;wb_adr_i表示數(shù)據(jù)地址，wb_dat_i則表示接收數(shù)據(jù)值。

　　如圖6所示，SMS4加密通信控制器IP接收數(shù)據(jù)通過信號(hào)wb_cyc_i作為計(jì)數(shù)器，每接收一個(gè)有效數(shù)據(jù)，產(chǎn)生一次脈沖;we_sel_is表示發(fā)送控制器片選信號(hào)，在發(fā)送數(shù)據(jù)期間保持為低。wb_adr_i表示數(shù)據(jù)地址，wb_dat_i表示接收數(shù)據(jù)值。

　　面向串行通信的SMS4算法邏輯設(shè)計(jì)，并已集成到SMS4加密通信控制器IP中。使用ISim仿真器對(duì)SMS4算法邏輯的Verilog代碼進(jìn)行波形仿真，輸入128bit數(shù)據(jù)，進(jìn)行加解密，其仿真波形如圖7所示。

　　從圖中可看出，SMS4加密IP利用points計(jì)算通信量，圖7的通信量為1 024bit，data_in表示輸入加密數(shù)據(jù)，addr_wr表示加密過程中的地址轉(zhuǎn)換;data表示輸出解密后的密文。

　　2.3 基于SMS4的加密通信SOPC軟硬件架構(gòu)

　　基于SMS4的加密通信SOPC軟硬件架構(gòu)如圖8所示，分為SOPC硬件層和SOPC軟件層。SOPC硬件層由電源、復(fù)位、時(shí)鐘、JTAG接口、FPGA、配置器件、存儲(chǔ)器、串行數(shù)據(jù)收發(fā)器等電路組成，其中FPGA是核心器件，內(nèi)部集成了處理器IP、存儲(chǔ)器及橋IP、SMS4加密通信控制器IP等。 SOPC軟件層主要南嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核、SMS4加密通信控制器驅(qū)動(dòng)程序、SMS4加密通信應(yīng)用程序等部分組成。

　　SOPC硬件功能方面，電源電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘發(fā)生器為SOPC提供必須的電源供應(yīng)、上電和硬件復(fù)位信號(hào)、時(shí)鐘同步信號(hào)。JTAG接口電路用于調(diào)試SOPC的硬件邏輯和軟件程序，同時(shí)也用于在線下載FPGA配置文件。FPGA配置器件存儲(chǔ)FPGA靜態(tài)配置，在上電時(shí)自動(dòng)對(duì)FPGA進(jìn)行配置;由于FPGA內(nèi)部存儲(chǔ)資源有限，需外擴(kuò)RAM、Flash等片外存儲(chǔ)器。串行數(shù)據(jù)收發(fā)器實(shí)現(xiàn)TTL電氣接口信號(hào)與RS-232/422電氣接口信號(hào)的轉(zhuǎn)換，使串行數(shù)據(jù)收發(fā)信號(hào)能適應(yīng)遠(yuǎn)距離傳輸環(huán)境。

　　SOPC軟件功能方面，嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核提供基本的存儲(chǔ)管理、設(shè)備管理、中斷管理及任務(wù)調(diào)度等功能。SMS4加密通信控制器驅(qū)動(dòng)程序?qū)MS4加密通信控制器抽象成一個(gè)以文件方式訪問的設(shè)備，供應(yīng)用程序調(diào)用。SMS4加密通信應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)明文數(shù)據(jù)的收發(fā)，由于SMS4加密通信控制器IP可屏蔽密文傳輸過程，應(yīng)用程序中無需進(jìn)行加解密處理。

　　基于SMS4的加密通信SOPC硬件集成，需軟件集成及性能分析。SMS4加密通信SOPC主要依靠專用串行接口擴(kuò)展模塊的FPGA芯片進(jìn)行硬件集成，圖9為運(yùn)行于Altera公司SOPC Builder開發(fā)環(huán)境的SMS4加密通信SOPC硬件集成界面。如圖所示，SMS4加密通信SOPC集成有NiosII處理器IP、SMS4加密通信控制器IP、SRAM和Flash的存儲(chǔ)器控制IP等IP核，需為各IP核指定Avalon總線互連拓?fù)潢P(guān)系、時(shí)鐘路徑、數(shù)據(jù)訪問空間及中斷路由等。

　　3 結(jié)束語

　　面向串行通信優(yōu)化SMS4算法的硬件實(shí)現(xiàn)，通過基于8位異步模式的128位數(shù)據(jù)串行收發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)SMS4加解密和串行通信的深度整合，通過非128位明文的加密傳輸數(shù)據(jù)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)SMS4加解密運(yùn)算與處理器無關(guān)，設(shè)計(jì)的SMS4加密通信控制器IP具備FPGA邏輯資源用量小、加解密與串行通信吞吐量匹配、處理器加密通信處理負(fù)載小等特點(diǎn)。

　　通過SMS4加密通信控制器IP封裝與IP復(fù)用、硬件抽象層驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)、基于SOPC開發(fā)環(huán)境集成處理器IP及配套IP，采用軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方式實(shí)現(xiàn)了基于SMS4的加密通信SOPC，使電子系統(tǒng)的SMS4加密通信功能具備較強(qiáng)的可定制能力。

　　文中研究了基于硬件實(shí)現(xiàn)加密串行通信功能，防破解能力強(qiáng)、處理器負(fù)載輕，進(jìn)而提高了應(yīng)用系統(tǒng)串行通信的安全性，有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。其中，核心算法采用SMS4算法，有力支撐了密碼學(xué)研究成果的本土化，為滿足國內(nèi)信息安全技術(shù)的自主可控需求作出了一定貢獻(xiàn)。另外，文中設(shè)計(jì)的可定制SOPC，也可較好滿足各種應(yīng)用的加密串行通信定制需求。