FPGA_ASIC-基于FPGA的片上系统的无线保密通信终端

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1、http://www.elecfans.com电子发烧友http://bbs.elecfans.com电子技术论坛基于FPGA的片上系统的无线保密通信终端作者：毋杰康丙寅王昭婧黄克军电子科技大学来源:电子产品世界摘要：本系统以AES加密算法为例，使用XilinxSPARTAN3E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。关键词：FPGA，片上系统，AES，Xilinx，SPART

2、AN3E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XilinxSPARTAN3E为开发平台，以xilinx的嵌入式软核microbla

3、ze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。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。数据帧结构设计http://www.elec

4、fans.com电子发烧友http://bbs.elecfans.com电子技术论坛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。表1数据帧结构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，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(

5、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

6、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。http://www.elecfans.com电子发烧友http://bbs.elecfans.com电子技术论坛图1系统总体控制数据流图AES加解密模块3.1.1AES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

7、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。3.1.2AES加解密模块设计http://www.elecfans.com电子发烧友http://bbs.elecfans.com电子技术论坛在本系统中，使用了FPGA的硬件描述语言(VHDL)来

8、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