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基于SOC的FPSLIC硬件實(shí)現(xiàn)分組加密算法

摘要： 美國(guó)Atmel公司生產(chǎn)的AT94K系列芯片是以Atmel 0.35的5層金屬CMOS工藝制造。它基于SRAM的FPGA、高性能準(zhǔn)外設(shè)的Atmel 8位RISC AVR單片機(jī)。另外器件中還包括擴(kuò)展數(shù)據(jù)和程序SRAM及器件控制和管理邏輯。

關(guān)鍵詞： SOC FPSLIC 硬件分組加密 AVR單片機(jī)

Abstract：

Key words :

1 引言：

美國(guó)Atmel公司生產(chǎn)的AT94K系列芯片是以Atmel 0.35 的5層金屬CMOS工藝制造。它基于SRAM的FPGA、高性能準(zhǔn)外設(shè)的Atmel 8位RISC AVR單片機(jī)。另外器件中還包括擴(kuò)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(jié)構(gòu)圖。

FPSLIC內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

                  圖1-1 FPSLIC內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jī)，最多還帶有36KB的SRAM，2個(gè)UART、1個(gè)雙線(xiàn)串行接口，3個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器、1個(gè)8 8乘法器以及一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘。通過(guò)采用單周期指令，運(yùn)算速度高達(dá)1MPS/MHz，這樣用戶(hù)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(qiáng)型RISC結(jié)構(gòu)，擁有豐富的指令系統(tǒng)以及32個(gè)通用工作寄存器。而且所有通用寄存器都與算術(shù)邏輯單元ALU相連；另外，在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，執(zhí)行單條指令時(shí)允許存取2個(gè)獨(dú)立的寄存器，這種結(jié)構(gòu)使得代碼效率更高，并且在相同的時(shí)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A(yíng)VR運(yùn)行代碼存儲(chǔ)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(shí)間都是處于低功耗待機(jī)狀態(tài)，并能在很短的時(shí)間里進(jìn)行高性能的處理。微處理器在突發(fā)模式運(yùn)行模式下的平均功耗要比長(zhǎng)時(shí)間低頻率運(yùn)行時(shí)的功耗低得多。FPSLIC的待機(jī)電流小于100 ，典型的工作電流為2-3mA/MHz。在系統(tǒng)上電時(shí)，F(xiàn)PGA配置SRAM和AVR程序SRAM都能自動(dòng)地通過(guò)Atmel在系統(tǒng)可編程串行存貯器AT17來(lái)裝載。

       2    FPSLIC硬件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)：

       2.1 硬件實(shí)現(xiàn)框圖

系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)框圖

                                                             圖2-1系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)框圖

       圖2-1是為了實(shí)現(xiàn)加密算法的硬件框圖。計(jì)算機(jī)通過(guò)它的串口和FPSLIC的通信端口UART0相連，用來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送和接收。FPSLIC通過(guò)AVR的通信端口等待接收主機(jī)傳來(lái)的信息，通過(guò)內(nèi)部的下載程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后再傳回到主機(jī)上。圖2-1中FPGA是一個(gè)計(jì)數(shù)器，此計(jì)數(shù)器一上電就從0計(jì)數(shù)，并用進(jìn)位輸出信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)AVR中斷，即進(jìn)位輸出信號(hào)RCO連接到AVR的中斷信號(hào)INTA0。當(dāng)AVR接收到由計(jì)數(shù)器的進(jìn)位信號(hào)產(chǎn)生的中斷時(shí)，則執(zhí)行INTA0的中斷服務(wù)程序(ISR)。在此期間，AVR就給INTA0產(chǎn)生的次數(shù)計(jì)數(shù)，并把它放到8位的AVR-FPGA數(shù)據(jù)總線(xiàn)上，這時(shí)就會(huì)觸發(fā)AVR的寫(xiě)使能信號(hào)(FPGA的aWE信號(hào)端)和FPGA的I/O SELECT0信號(hào)(FPGA的LOAD信號(hào)端)，同時(shí)從AVR——FPGA數(shù)據(jù)總線(xiàn)上將數(shù)據(jù)載入計(jì)數(shù)器。數(shù)碼管的各極連接在實(shí)驗(yàn)板上的可編程端口，通過(guò)引腳配置用來(lái)顯示數(shù)據(jù)。LED指示燈在A(yíng)VR I/O輸出的D口，直接將數(shù)據(jù)通過(guò)命令PORTD來(lái)顯示。FPGA的時(shí)鐘通過(guò)GCLK5選自AVR單片機(jī)的時(shí)鐘。我們以DES數(shù)據(jù)加密為例，由仿真試驗(yàn)可以得出DES加密的速率為57.024 kbit/s,它大于串口的最大速率19.2kbit/s，因此可以實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的加密操作。
        一個(gè)典型的FPSLIC設(shè)計(jì)通常應(yīng)該包括以下幾個(gè)步驟：

       1.    利用聯(lián)合仿真軟件建立一個(gè)FPSLIC工程。

     2.    預(yù)先建立一個(gè)AVR軟件仿真程序文件。

       3.    預(yù)先建立一個(gè)FPGA的硬件仿真程序文件。

       4.    設(shè)置和運(yùn)行AVR-FPGA接口設(shè)計(jì)。

       5.    運(yùn)行布局前的聯(lián)合仿真Pre-layout Converification（這一步是可選擇的）。

       6.    運(yùn)行Figaro-IDS進(jìn)行FPGA的布局布線(xiàn)。

       7.    運(yùn)行布局后的聯(lián)合仿真Pos-layout Converification（這一步是可選擇的）。

       8.    器件編程數(shù)據(jù)下載與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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?yàn)镃ount.vhdl)。

       2.2 編譯AVR的仿真程序軟件

編譯AVR的仿真程序軟件

       (以上程序代碼是整個(gè)仿真的程序框架，最主要的是對(duì)接口進(jìn)行初始化和對(duì)發(fā)送和接收部分進(jìn)行設(shè)置，以便進(jìn)行串口的通信)

       2.3器件編程與試驗(yàn)驗(yàn)證

       1.    將下載電纜ATDH2225的25針的一端從計(jì)算機(jī)的并行口接出，令一端10針扁平線(xiàn)插入ATSTK94實(shí)驗(yàn)板的J1插頭上。下載電纜的標(biāo)有紅色的線(xiàn)和J1插頭的第一腳連接。

       2.    因?yàn)橐陀?jì)算機(jī)串口進(jìn)行通信，因此要制作一個(gè)串口連接電纜，其九針連接電纜的連接關(guān)系如下圖2-2。電纜一端連接在計(jì)算機(jī)的任意串口上，另一端連接在實(shí)驗(yàn)板上的UART0上。連接電纜只需要連接三根線(xiàn)，UART0的2端連接在FPSLIC的發(fā)送端，因此它和計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的串口2端(發(fā)送數(shù)據(jù)端)相連。

串口通信連接指示圖

                                           圖2-2  串口通信連接指示圖
       3.    選擇4MHz時(shí)鐘，即在實(shí)驗(yàn)板上將JP17設(shè)置在靠近板子內(nèi)側(cè)位置，而將JP18不連接，也就是將其連接跳線(xiàn)拔掉。

       4.    將直流9V電源接頭插入ATSTK94實(shí)驗(yàn)板的電源插座P3上。

5.    將實(shí)驗(yàn)板上的開(kāi)關(guān)SW10調(diào)至PROG位置。開(kāi)關(guān)SW10有編程(PROG)和運(yùn)行(RUN)兩種連接。在編程位置，用戶(hù)可以通過(guò)下載電纜和下載程序軟件CPS,將System Designer生成的FPSLIC數(shù)據(jù)流文件給配置存儲(chǔ)器編程。在運(yùn)行位置，F(xiàn)PSLIC器件將載入數(shù)據(jù)流文件并運(yùn)行該設(shè)計(jì)。

       6.    打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)SW14,即將它調(diào)整到ON位置。這時(shí)候?qū)嶒?yàn)板上電源發(fā)光二極管（紅色）發(fā)光，表示實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)板的配置存儲(chǔ)器中，這時(shí)，Atmel的AT17配置可編程系統(tǒng)(CPS)窗口被打開(kāi)，如下圖2-3，并自動(dòng)給器件編程。

FPSLIC控制寄存器設(shè)置對(duì)話(huà)框

                                                 圖2-3  FPSLIC控制寄存器設(shè)置對(duì)話(huà)框

       在Procesure下拉列表框中選擇/P Partition,Program and Verify from an Atmel File。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(rèn)值。然后點(diǎn)擊Start Produce按鈕，如果電纜等硬件設(shè)置正確，那么程序?qū)⑾螺d到實(shí)驗(yàn)板上。

       8.     將開(kāi)關(guān)SW10調(diào)至RUN位置，打開(kāi)串口調(diào)試程序Accesspot129軟件。對(duì)于A(yíng)ccessport129的設(shè)置為：串口為COM1(根據(jù)用戶(hù)選擇的計(jì)算機(jī)端口來(lái)設(shè)定),波特率：9600，校驗(yàn)位：NONE，數(shù)據(jù)位為8 ，停止位選擇1，串口開(kāi)關(guān)選擇開(kāi)；

       3  試驗(yàn)結(jié)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(dāng)這64個(gè)比特的數(shù)據(jù)全部輸入完畢后，點(diǎn)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(guò)DES算法加密后的密文(85E813540F0AB405)。通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)的的結(jié)果和實(shí)際仿真結(jié)果是完全一致的。同時(shí)通過(guò)數(shù)碼管也分別顯示出最后的加密數(shù)據(jù)。至此整個(gè)硬件試驗(yàn)結(jié)束。

Accesspot串口調(diào)試軟件顯示的結(jié)果圖

圖3-1 Accesspot串口調(diào)試軟件顯示的結(jié)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(shí)際中應(yīng)用的。同理，可以通過(guò)以上的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)DES解密和AES等其它的分組加解密。

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