基于Xilinx FPGA的片上系统无线保密通信终端设计

2011-04-23 21:52:24来源: 互联网

0 引言

  利用软件实施加密算法已经成为实时安全通信系统的重要瓶颈。标准的商品化CPU和DSP无法跟上数据加密算法的计算速度要求。此外,CPU和DSP需要完成太多的其他任务。基于FPGA高度优化的可编程的硬件安全性解决方案提供了并行处理能力,并且可以达到所要求的加密处理性能基准[1].然而如果仅使用FPGA可编程VHDL来实现的话,系统就不够灵活,升级困难,况且实现起来有很大的难度,本系统以AES加密算法为例,使用Xilinx SPARTAN 3E为开发平台,以Xilinx的嵌入式软核Microblaze为主控制器,调用FPGA的硬件VHDL编程实现的AES加解密和控制CC2420来实现高速有效的数据通信。

1 系统设计思想

  本设计使用硬件描述语言VHDL在FPGA数字逻辑层面上实现AES加解密,为了系统的扩展性和构建良好的人机交互,设计通过PS/2键盘输入加密密钥,并将其显示在LCD上。在软核MicroBlaze上,通过SPI总线读写FIFO和RAM控制射频芯片CC2420,使系统具有信道选择、地址识别、自动CRC校验功能,使系统更加安全、通信误码率更低。

  1.1 数据帧结构设计

  为了更好的提高本系统数据的传输率,在官方zigbee的数据帧格式基础上做了修改。采用如表5-2所示的数据帧格式。数据帧发送时,CC2420自动在数据包的开始处加上前导码和帧起始分隔符在数据包末尾加CRC检验。
 

  1.2 数据可靠传输

  为了确保数据不出错和不丢失,本设计采用了CRC校验、超时重传、返回ACK和NOACK等措施来确保数据的不出错和丢失,

2  系统模块构成

  加密端通过串口和网口从发送段接收数据,当接收够16字节(128bit),或不足时能自动补零成128bit后送给硬件AES加密模块。在软核Microblaze的控制下通过VHDL编程的AES加密后将数据进行组帧打包,通过软核对CC2420的寄存器的读写将数据通过无线发送端CC2420发送出去,同时等待发送段确认。接收端在接收到数据以后,从数据包中将数据提取,进行快速AES解密,解密完成后进行CRC校验,如果校验正确则向源地址发送ACK确认。将正确数据送出,如果校验失败,则返回NOACK。为了确保安全,AES加解密算法需要的密钥key由键盘输入和修改,同时可以在LCD上显示出来。必须保证两端key相同才能保证正常通信。

                                                                                    图1 系统总体控制数据流图
3 AES加解密模块

  3.1.1 AES简介

  AES加解密算法(Rijndael算法)对待加密的明文先进行分段然后加密,明文的长度可以是l28位、192位或256位。同样,用于加密的密钥长度也有l28位、192位或256位。根据明文及密钥长度不同的组合,加密的轮次有10轮、12轮和l4轮。在圈函数的每一圈迭代中,包括4步变换,分别是字节代换运算、行变换、列混合以及圈密钥的加法变换。经过验证,选用l28位的明文和密钥是几种组合中加解密速度最快的[2]。所以在本系统设计中使用的为128位明文和128位密文的组合。由于AES为对称加解密,所以在此文中我们只讨论AES的加密方法,解密就是与AES对称的方式来进行的。

  3.1.2 AES加解密模块设计

  在本系统中,使用了FPGA的硬件描述语言(VHDL)来实现了AES的加解密算法,AES分别为轮密钥加、字节代换、行移位、列混淆、密钥扩展,下面为5个用硬件描述语言实现的小模块的分别介绍。由于列混淆模块、行移位模块、轮密钥加与文献[4]中算法相同在此不做讨论。

  ① 字节代换模块

  此模块为AES中的每一个字节提供了一个非线性代换。任一非零字节被函数所代替。如果x是零字节,y=b 就是SubBytes变化的结果。在本设计中,为了加快算法速度,将S盒预先写入RAM中,直接用地址来指示替代的字节,利用空间来换时间,达到了加快用算的目的。

  ②密钥扩展模块

  本设计采用了Xilinx IP核Single Block RAM 位宽32,深度64,在程序的开始,由用户设置的初始密钥系统按照密钥扩展算法生成的10轮扩展密钥,将生成的密钥按照地址次序从低到高放入RAM中,在每一轮执行addroundkey时取出对应轮数的密钥,与明文相加(异或)。

                                                                        图2 AES解密模块仿真波形
  
        3.2 无线通信模块

  在本系统中采用TI 公司的CC2420来实现数据的无线通信CC2420工作于免授权的2.4GHz频段,33个16位配置寄存器、15个命令选通寄存器、1个128字节的RX RAM、1个128字节的TX RAM、1个112字节的安全信息存储器。TX和RX RAM的存取可通过地址或者用两个8位的寄存器。主机可通过SPI总线设置其工作在Normal模式,通过SPI总线MOSI,MISO接口对TX FIFO和RX FIFO及状态进行写和读的操作,将数据写入和读出RAM来实现与CC2420的数据传输,通过触发CC2420STXON,SRXON来实现数据的无线发送和接收。表二是本系统CC2420涉及的寄存器及其功能。


  表2 是本系统CC2420涉及的寄存器及其功能

  3.3 软核控制模块

  3.3.1 软核MicroBlaze简介

  MicroBlaze 是一款由xilinx公司开发的嵌入式处理器软核,其采用RISC(Reduced Instruction Set Computer)优化架构。它符合IBM CoreConnect标准,能够与PPC405系统无缝连接[3]。MicroBlaze是一个非常简化却具有较高性能的软核,在Spartan3E系列FPGA中它只占400个Slice,相当于10万门FPGA容量的1/3。其为哈佛结构,32位地址总线,独立的指令和数据缓存,并且有独立的数据和指令总线连接到IBM的PLB总线,使得它能很容易和其它外设IP核一起完成整体功能。支持SPI、I2C、PCI、CAN总线,支持重置、硬件异常、中断、用户异常、暂停等机制,可配置UART、GPIO等接口。

  3.3.2 microblaze的控制流程

 
                                               图3 microblaze的控制流程
 
  3.3.3 microblaze的控制流程主程序
 
  main () {
 
  Initial()//初始化系统;
 
  CmdSend()//上位机命令输入;
 
  DataRev()//数据接收;
 
  AESEny()//数据加密;
 
  DataPackage()数据打包;
 
  CC2420Sen()加密数据发送;
 
  Return success; }
 
结语
  本系统将软件加解密(在50M的频率下使用软件来进行加解密)与硬件加解密时间做了对比:如表3所示。
                                           表3 软件和硬件加密对比
                                        表4 AES加密占用FPGA资源统计表
 
  该方案充分有效的利用了Spartan 3E的资源,尤其为可编程逻辑和RAM的利用。其中AES加解密中的乘法运算均由LUT查找表来实现,用空间换取时间,获得了很高的算法速度。在AES算法测试时我们发现80%的AES加解密时间都用于密钥扩展算法中,如果能再进一步把算法优化,比如做成流水线的算法模式的话,加解密时间又能减少近20%,即由现在的6.74us减少到略大于5.39us,效率又可以增加很多。
 
参考文献:
 
  [1]AES算法FPGA实现分析,唐金艺,[M] 海军计算技术研究所
 
  [2]唐明,张焕国,刘树渡等 AES的高性能硬件设计与研究 [M] 武汉大学计算机学院
 
  [3]赵峰 马迪民 孙伟等 FPGA上的嵌入式设计[M] 2008.4
 
  [4]佟玉伟 陆浪如 FPGA先进加密算法 (AES) 的并行实现 [M] 交通与计算机 2002.6

关键字:FPGA  片上系统  无线保密  通信终端

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/afdz/2011/0423/article_3655.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部
FPGA
片上系统
无线保密
通信终端

小广播

独家专题更多

TTI携TE传感器样片与你相见,一起传感未来
TTI携TE传感器样片与你相见,一起传感未来
TTI携TE传感器样片与你相见,一起传感未来
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
馆内包含了 纵览FRAM、独立FRAM存储器专区、FRAM内置LSI专区三大部分内容。 
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
 

About Us 关于我们 客户服务 联系方式 器件索引 网站地图 最新更新 手机版

站点相关: 视频监控 智能卡 防盗报警 智能管理 处理器 传感器 其他技术 综合资讯 安防论坛

北京市海淀区知春路23号集成电路设计园量子银座1305 电话:(010)82350740 邮编:100191

电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved