面向AES加密的可配置处理器设计及实现

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随着计算机技术和网络技术的快速发展和广泛应用,信息安全逐渐成为几们普遍关注的课题。高级加密标准(AEs)是美国国家标准与技术研究局宣布采用的数据加密标准,在安全性、简洁性、实现成本等方面与原有的对称加密算法相比具有一定的优势,具有广泛的应用前景。AEs的传统实现方式是采用DsP或AsIc方法,本文阐述一种基于传输触发架构(TTA)的可配置处理器实现AEs的方法,该方法在一定程度上达到性能与灵活性的折衷。本文首先介绍Tn架构可配置处理器的结构、硬件、指令集系统的特点,然后分析并用c语言实现AEs算法,根据在c*coreC310上的统计结果,分析出关键路径,将字节乘法转化为查表运算。其次,重点论述了基于传输触发架构和超长指令字(vLIw)指令结构的AEs算法并行优化方法:将密钥扩展与轮变换并行实现,综合轮变换整个过程简化数据流,并根据特殊运算定制功能单元、指令集。设计自动化是可配置处理器设计的一大难点,也是可配置处理器能够被广泛使用的必要条件。本文还重点讨论基于TTA架构处理器的RTL代码及可配置汇编器自动生成的方法。通过采用本设计实现的RTL代码自动生成软件及汇编器,自动生成了用于AEs加密的可配置处理器的RTL代码及特殊指令集汇编器。最后在仿真软件和FPGA上完成验证,结果表明进行128-bit明文,128-bit密钥的AEs加密,吞吐率为18Mbps,其性能优于一般通用处理器和DsP。由于自动生成技术,其设计周期比AsIc短,设计难度比ASIC低,而且由于采用特殊的TTA架构实现加密算法,具有抗攻击特点。但与AsIc设计相比,在速度上还存在一定差距。因此,此领域存在广阔的研究空间。
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