基于FPGA的片上系統的無線保密通信終端

　　引言

　　利用軟件實施加密算法已經成為實時安全通信系統的重要瓶頸。標準的商品化CPU和DSP無法跟上數據加密算法的計算速度要求。此外，CPU和DSP需要完成太多的其他任務。基于FPGA高度優化的可編程的硬件安全性解決方案提供了并行處理能力，并且可以達到所要求的加密處理性能基準[1].然而如果僅使用FPGA可編程VHDL來實現的話，系統就不夠靈活，升級困難，況且實現起來有很大的難度，本系統以AES加密算法為例，使用Xilinx SPARTAN 3E為開發平臺，以xilinx的嵌入式軟核microblaze為主控制器，調用FPGA的硬件VHDL編程實現的AES加解密和控制CC2420來實現高速有效的數據通信。

　　系統設計思想

　　本設計使用硬件描述語言VHDL在FPGA數字邏輯層面上實現AES加解密，為了系統的擴展性和構建良好的人機交互，設計通過PS/2鍵盤輸入加密密鑰，并將其顯示在LCD上。在軟核MicroBlaze上，通過SPI總線讀寫FIFO和RAM控制射頻芯片CC2420，使系統具有信道選擇、地址識別、自動CRC校驗功能，使系統更加安全、通信誤碼率更低。

　　數據幀結構設計

　　為了更好的提高本系統數據的傳輸率，在官方zigbee的數據幀格式基礎上做了修改。采用如表5-2所示的數據幀格式。數據幀發送時，CC2420自動在數據包的開始處加上前導碼和幀起始分隔符在數據包末尾加CRC檢驗。

　　表1 數據幀結構

　　數據可靠傳輸

　　為了確保數據不出錯和不丟失，本設計采用了CRC校驗、超時重傳、返回ACK和NOACK等措施來確保數據的不出錯和丟失，

　　系統模塊構成

　　加密端通過串口和網口從發送段接收數據，當接收夠16字節(128bit)，或不足時能自動補零成128bit后送給硬件AES加密模塊。在軟核Microblaze的控制下通過VHDL編程的AES加密后將數據進行組幀打包，通過軟核對CC2420的寄存器的讀寫將數據通過無線發送端CC2420發送出去，同時等待發送段確認。接收端在接收到數據以后,從數據包中將數據提取，進行快速AES解密,解密完成后進行CRC校驗，如果校驗正確則向源地址發送ACK確認。將正確數據送出，如果校驗失敗，則返回NOACK。為了確保安全，AES加解密算法需要的密鑰key由鍵盤輸入和修改，同時可以在LCD上顯示出來。必須保證兩端key相同才能保證正常通信。

　　圖1 系統總體控制數據流圖

　　AES加解密模塊

　　3.1.1 AES簡介

　　AES加解密算法(Rijndael算法)對待加密的明文先進行分段然后加密，明文的長度可以是l28位、192位或256位。同樣，用于加密的密鑰長度也有l28位、192位或256位。根據明文及密鑰長度不同的組合，加密的輪次有10輪、12輪和l4輪。在圈函數的每一圈迭代中，包括4步變換，分別是字節代換運算、行變換、列混合以及圈密鑰的加法變換。經過驗證，選用l28位的明文和密鑰是幾種組合中加解密速度最快的[2]。所以在本系統設計中使用的為128位明文和128位密文的組合。由于AES為對稱加解密，所以在此文中我們只討論AES的加密方法，解密就是與AES對稱的方式來進行的。

　　3.1.2 AES加解密模塊設計

　　在本系統中，使用了FPGA的硬件描述語言(VHDL)來實現了AES的加解密算法，AES分別為輪密鑰加、字節代換、行移位、列混淆、密鑰擴展，下面為5個用硬件描述語言實現的小模塊的分別介紹。由于列混淆模塊、行移位模塊、輪密鑰加與文獻[4]中算法相同在此不做討論。

　　① 字節代換模塊

　　此模塊為AES中的每一個字節提供了一個非線性代換。任一非零字節被函數所代替。如果x是零字節，y=b 就是SubBytes變化的結果。在本設計中，為了加快算法速度，將S盒預先寫入RAM中，直接用地址來指示替代的字節，利用空間來換時間，達到了加快用算的目的。

　　②密鑰擴展模塊

　　本設計采用了Xilinx IP核Single Block RAM 位寬32，深度64，在程序的開始，由用戶設置的初始密鑰系統按照密鑰擴展算法生成的10輪擴展密鑰，將生成的密鑰按照地址次序從低到高放入RAM中，在每一輪執行addroundkey時取出對應輪數的密鑰，與明文相加(異或)。

　　圖2 AES解密模塊仿真波形

　　無線通信模塊

　　在本系統中采用TI 公司的CC2420來實現數據的無線通信CC2420工作于免授權的2.4GHz頻段，33個16位配置寄存器、15個命令選通寄存器、1個128字節的RX RAM、1個128字節的TX RAM、1個112字節的安全信息存儲器。TX和RX RAM的存取可通過地址或者用兩個8位的寄存器。主機可通過SPI總線設置其工作在Normal模式，通過SPI總線MOSI，MISO接口對TX FIFO和RX FIFO及狀態進行寫和讀的操作，將數據寫入和讀出RAM來實現與CC2420的數據傳輸，通過觸發CC2420STXON,SRXON來實現數據的無線發送和接收。表二是本系統CC2420涉及的寄存器及其功能。

　　表2 是本系統CC2420涉及的寄存器及其功能

　　軟核控制模塊

　　3.3.1 軟核MicroBlaze簡介

　　MicroBlaze 是一款由xilinx公司開發的嵌入式處理器軟核，其采用RISC(Reduced Instruction Set Computer)優化架構。它符合IBM CoreConnect標準，能夠與PPC405系統無縫連接[3]。MicroBlaze是一個非常簡化卻具有較高性能的軟核，在Spartan3E系列FPGA中它只占400個Slice，相當于10萬門FPGA容量的1/3。其為哈佛結構，32位地址總線，獨立的指令和數據緩存，并且有獨立的數據和指令總線連接到IBM的PLB總線，使得它能很容易和其它外設IP核一起完成整體功能。支持SPI、I2C、PCI、CAN總線，支持重置、硬件異常、中斷、用戶異常、暫停等機制，可配置UART、GPIO等接口。

　　3.3.2 microblaze的控制流程

　　圖3 microblaze的控制流程

　　3.3.3 microblaze的控制流程主程序

　　main () {

　　Initial()//初始化系統;

　　CmdSend()//上位機命令輸入;

　　DataRev()//數據接收;

　　AESEny()//數據加密;

　　DataPackage()數據打包;

　　CC2420Sen()加密數據發送;

　　Return success; }

　　結語

　　本系統將軟件加解密(在50M的頻率下使用軟件來進行加解密)與硬件加解密時間做了對比：如表3所示。

　　表3 軟件和硬件加密對比

 表4  AES加密占用FPGA資源統計表

　　該方案充分有效的利用了Spartan 3E的資源，尤其為可編程邏輯和RAM的利用。其中AES加解密中的乘法運算均由LUT查找表來實現，用空間換取時間，獲得了很高的算法速度。在AES算法測試時我們發現80%的AES加解密時間都用于密鑰擴展算法中，如果能再進一步把算法優化，比如做成流水線的算法模式的話，加解密時間又能減少近20%，即由現在的6.74us減少到略大于5.39us，效率又可以增加很多。

　　參考文獻：

　　[1]AES算法FPGA實現分析，唐金藝，[M] 海軍計算技術研究所

　　[2]唐明，張煥國，劉樹渡等 AES的高性能硬件設計與研究 [M] 武漢大學計算機學院

　　[3]趙峰 馬迪民 孫偉等 FPGA上的嵌入式設計[M] 2008.4

　　[4]佟玉偉 陸浪如 FPGA先進加密算法 (AES) 的并行實現 [M] 交通與計算機 2002.6

　　*本設計獲得2008年全國大學生電子設計競賽信息安全技術邀請賽三等獎