基于FPGA的片上系统的无线保密通信终端
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.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。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
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
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。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：
AES算法FPGA实现分析，唐金艺， 海军计算技术研究所
唐明，张焕国，刘树渡等 AES的高性能硬件设计与研究 武汉大学计算机学院
赵峰 马迪民 孙伟等 FPGA上的嵌入式设计 2008.4
佟玉伟 陆浪如 FPGA先进加密算法 (AES) 的并行实现 交通与计算机 2002.6
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