基于aes算法加密芯片的研究和设计

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1、上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果除文中已经注明引用的内容外本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担学位论文作者签名刘海江日期2005年1月10日上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留使用学位论文的规定同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版允许论文被查阅和借阅本人授权上海交通大学

2、可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文保密在年解密后适用本授权书本学位论文属于不保密请在以上方框内打学位论文作者签名刘海江指导教师签名戎蒙恬日期2005年1月10日日期2005年1月10日上海交通大学硕士学位论文摘要本论文研究并设计了一个可用于信息安全系统数据加解密的芯片该芯片采用高级数据加密标准(AES)的分组密码算法文中首先阐述了AES算法的数学知识接着详细描述了算法流程包括加密算法流程密钥生成方案直接解密算法流程等价解密算法流程然后研究了A

3、ES芯片的硬件设计包括芯片的总体结构轮结构中各个变换的设计和轮密钥生成模块的设计由于AES分组密码算法的加密和解密是不对称的所以在硬件的设计过程中尽量复用运算功能相同的单元减小了芯片的面积关掉处于空闲状态模块的时钟降低了功耗提前计算轮密钥并采用流水线结构既降低了控制模块的复杂性又提高了芯片的吞吐量具体包括1在字节替换模块实现中提出了一种模块复用技术该技术使用同一模块实现加密和解密过程中不同的S-BOX非线性求逆运算从而节约了大量的硬件资源2在常规轮变换中提出了一种密钥加法和列混合变换集成化的硬件结构设计通过一定的

4、条件选择使得同一个模块可以实现加密和解密中的线性变换既消除了加解密硬件结构的不同又节约了大量的硬件资源3采用流水线结构固定的密钥长度减少了控制模块的复杂性使加解密速度相同提高了芯片加解密数据的吞吐-1-上海交通大学硕士学位论文速率4采用门控时钟技术以降低芯片的功耗密钥生成时关掉处于空闲状态的加解密核的时钟加解密时关掉处于空闲状态密钥生成模块的时钟降低了芯片的功耗按照以上设计思想用VHDL语言编写了各个模块用Active-HDL工具作了功能仿真采用中芯国际的0.18微米标准单元库进行了逻辑综合物理设计和后仿真仿真结

5、果表明芯片的设计符合AES的加解密功能芯片可以在100MHz时钟频率下工作在ECB模式下加解密的数据吞吐速率达到3.2Gbps关键词AES算法门控时钟S-盒轮密钥流水线结构-2-上海交通大学硕士学位论文ABSTRACTInthispaper,ablockcryptographicASICchipisresearchedandimplemented,whichcanbeusedincommunicationsystemsdirectlyfordataencryptionbasedonAdvancedEncrypti

6、onStandard(AES)algorithm.TheauthorelaboratesfirstlysomemathematicsknowledgeforfurtherstudyingAESalgorithm.Secondly,theAESalgorithmisdescribedinthispaper,includingitsCipherandthestraightforwardInverseCipher,andEquivalentInverseCipher.ThenseveralASIChardwarestr

7、ucturedesigntechniquesareproposedsuchasoverallarchitectureofthechip,fourtransformationsinroundarchitectureandtheKeyExpansion.BecausethesequenceofthetransformationsofthestraightforwardInverseCipherdiffersfromthatoftheCipher,theauthorproposesamodulereusemethodt

8、hatthemoduleswithsamefunctionarereusedforreducingtheareaofthechip.Asthesametime,theauthorputsforwardtoturnofftheclockoftheidlecircuitforloweringpowerofthechip,togenerateroundkeysinadvance