加密算法在SOC中的设计实现 - 夏冰加密软件技术博客

随着微电子技术的发展，集成电路正向超大规模集成(VIsI)的方向发展，芯片的规模达到千万门级，IC的制造特征尺寸达到纳米级，设计复杂度也大大增加，在这种背景下，基于IP的设计方法开始逐步发展起来，越来越多的功能，甚至一个完整系统都可以集成到一个芯片当中，形成SOC。由于其设计基于IP，所以具有产品开发周期短，可靠性高，低功耗，面积小等优点。目前集成电路设计中越来越多的采用SOC方法来进行设计。

数据加密技术在当今社会中起着很重要的作用，如军事、国防、商贸等，尤其是随着网络技术的快速发展，网上交易越来越频繁，数据加密得到了更多的重视，出现了各种类型的加密算法，尤其以3DES和AES等非对称加密算法应用最为广泛。传统的加密是通过在主机上运行加密软件来工作的，其占用主机的资源，并且处理速度相对于硬件加密要慢很多。而硬件加密由于其独立于主机，数据存储、运算等都通过硬件实现，所以有速度快、安全性高等优点。

本文主要是将加密算法用硬件来实现，集成到SOC芯片中，通过AMBA总线来实现内部处理器与硬件加密模块的连接，实现对数据加密的控制，而数据加密的过程由加密硬件模块来实现。

一、加密算法简介

加密技术是电子商务采取的主要安全保密措施，是最常用的安全保密手段，利用技术手段把重要的数据变为乱码(加密)传送，到达目的地后再用相同或不同的手段还原懈密）。加密技术包括两个元素：算法和密钥。算法是将信息与加密结合，产生不可理解的密文的步骤，密钥是用来对数据进行编码和解码的一种算法。在安全保密中，可通过适当的密钥加密技术和管理机制来保证网络的信息通讯安全。

密钥加密技术的密码体制分为对称密钥体制和非对称密钥体制两种。相应地，对数据加密的技术分为两类，即对称加密（私人密钥加密）和非对称加密（从开密钥加密）。对称加密以数据加密标准(DES，Data EncDption StandaKI)算法为典型代表，非对称加密通常以R&\ (Rivest ShanirAdleman)算法为代表。本文主要研究非对称加密算法3DES和AES，下面将简单介绍一下这两种加密算法。

1、3DES加密

DES算法有三个输入：key data、mode，其中key为64bit，是DES的密钥；data为64bit,是加密解密的数据；mode为DES的工作方式，加密或者解密。如果mode为加密，则用key对数据data进行加密，生成dataout作为输出结果；如果mode为解密，则用key去解密data的密码形式，还原data的明码形式作为输出结果。3DES是DES的一个变形，它以DES为基本模块，通过组合分组来组织加密算法。

2、AES加密

AES是一种迭代分组密码，输入数据是128bit，密钥长度支持128bit) 196bit. 256bit AES加密算法的实现包括密钥扩展过程和加密过程，加密过程又包含一个作为初始轮的初始密钥加法，接着进行九次轮变换，最后再使用一个轮变换。

二、加密算法在SOC中的实现

1、加密模块在SOC中的结构

3DES加密模块和AES加密模块作为SOC芯片的一个组成部分，通过AMBA总线同处理器和内存控制器等其他模块联系起来，实现对加密算法的控制和加密数据的传输，架构图如图1所示。

加密算法在SOC中的设计实现

3DES加密模块和AES加密模块内部分别包含输入数据寄存器、输入密钥寄存器、输出数据寄存器、控制寄存器。控制寄存器为32bit，其他的寄存器3DES模块中为64bit，AES模块中为128bit最后加密或者解密后的数据通过内存控制器传送给内存，3DES和AES加密模块的寄存器如表1所示。

加密算法在SOC中的设计实现

2、加密模块的功能仿真

（1）3DES加密模块的功能仿真

分别给3DES模块的输入数据，3个key和mode相应的激励后，得到的加密和解密后(mode为1时为加密，mode为0时为解密)的波形图如图2和图3所示。

加密算法在SOC中的设计实现

通过仿真可以看到进行一次3DES加密过程需要56个cycle，同理解密的过程也是一样。在SOC中采用的主时钟的频率是200M Hz，同时采用3级流水线（每一级DES使用一级流水），得到的吞吐率是686Mb/s。另外还可以看到对64bit的输入数据进行加密然后解密后得到的输出数据跟输入数据一致，也就是证明逻辑功能的正确性。

（2）AES加密模块的功能仿真

给AES模块加入相应的激励后得到的加密和解密后的波形图如图4和图5所示。

加密算法在SOC中的设计实现