基于SOC的FPSLIC硬件实现分组加密算法

      摘要: 本文中采用美国Atmel公司设计生产的FPSLIC即现场可编程系统级集成电路中的AT94K-Starter Kit器件，通过它内部的AVR内核、异步通信端口、FPGA以及其它外设，以及串口调试软件Acessport129实现了计算机和试验板的通信，从而通过硬件实现了分组加密的算法。

关键词：FPSLIC  AVR单片机  分组加密

1  引言：

美国Atmel公司生产的AT94K系列芯片是以Atmel 0.35 的5层金属CMOS工艺制造。它基于SRAM的FPGA、高性能准外设的Atmel 8位RISC AVR单片机。另外器件中还包括扩展数据和程序SRAM及器件控制和管理逻辑。

AT94K内嵌AVR内核，Atmel公司的FPSLIC可编程SOC内嵌高性能和低功耗的8位AVR单片机，多还带有36KB的SRAM，2个UART、1个双线串行接口，3个定时/计数器、1个8 8乘法器以及一个实时时钟。通过采用单周期指令，运算速度高达1MPS/MHz，这样用户可以充分优化系统功耗和处理速度。AVR内核基于增强型RISC结构，拥有丰富的指令系统以及32个通用工作寄存器。而且所有通用寄存器都与算术逻辑单元ALU相连；另外，在一个时钟周期内，执行单条指令时允许存取2个独立的寄存器，这种结构使得代码效率更高，并且在相同的时钟频率下，可以获得比传统的CISC微处理器高10倍的数据吞吐量。AVR从片内SRAM执行程序，由于AVR运行代码存储在SRAM中，因此它可以提供比较大的吞吐量，这样可以使其工作在突发模式上。在这种模式上，AVR大多时间都是处于低功耗待机状态，并能在很短的时间里进行高性能的处理。微处理器在突发模式运行模式下的平均功耗要比长时间低频率运行时的功耗低得多。FPSLIC的待机电流小于100 ，典型的工作电流为2-3mA/MHz。在系统上电时，FPGA配置SRAM和AVR程序SRAM都能自动地通过Atmel在系统可编程串行存贮器AT17来装载。

2    FPSLIC硬件的设计实现：
计算机通过它的串口和FPSLIC的通信端口UART0相连，用来进行数据的传送和接收。FPSLIC通过AVR的通信端口等待接收主机传来的信息，通过内部的程序将数据进行处理，再传回到主机上。图2-1中FPGA是一个计数器，此计数器一上电就从0计数，并用进位输出信号产生一个AVR中断，即进位输出信号RCO连接到AVR的中断信号INTA0。当AVR接收到由计数器的进位信号产生的中断时，则执行INTA0的中断服务程序(ISR)。在此期间，AVR就给INTA0产生的次数计数，并把它放到8位的AVR-FPGA数据总线上，这时就会触发AVR的写使能信号(FPGA的aWE信号端)和FPGA的I/O SELECT0信号(FPGA的LOAD信号端)，同时从AVR——FPGA数据总线上将数据载入计数器。数码管的各极连接在实验板上的可编程端口，通过引脚配置用来显示数据。LED指示灯在AVR I/O输出的D口，直接将数据通过命令PORTD来显示。FPGA的时钟通过GCLK5选自AVR单片机的时钟。我们以DES数据加密为例，由仿真试验可以得出DES加密的速率为57.024 kbit/s,它大于串口的速率19.2kbit/s，因此可以实时进行数据的加密操作。

   一个典型的FPSLIC设计通常应该包括以下几个步骤：

1.    利用联合仿真软件建立一个FPSLIC工程。
2.    预先建立一个AVR软件仿真程序文件。
3.    预先建立一个FPGA的硬件仿真程序文件。
4.    设置和运行AVR-FPGA接口设计。
5.    运行布局前的联合仿真Pre-layout Converification（这一步是可选择的）。
6.    运行Figaro-IDS进行FPGA的布局布线。
7.    运行布局后的联合仿真Pos-layout Converification（这一步是可选择的）。
8.    器件编程数据与实验验证。 

   我们以DES数据加密为例，(新建的工程名为lab1.apj,AVR仿真程序文件为desjiami.asm，FPGA的硬件仿真程序为Count.vhdl)。如下给出其中两个关键步骤：
2.2 编译AVR的仿真程序软件
 
Reset:          (初始化部分)
sbi   UCSR11,TXEN0           　；设置UART0的收
sbi   UCSR11,RXEN0          　 ；设置UART0的发
ldi   rTemp, 0x19            　　 ；配置传输波特速率 - 9600 bps @ 4 MHz
out  UBRR0, rTemp           　　；初始化 UART0 速率
RX:            (接收部分)
sbis UCSR10, RXC0            　 ；是否接受完毕？
rjmp RX                       　　；如果没有结束则继续等待接受
in  r23,UDR0                  　　；将串口的数据读到寄存器中
st  z+, r23                  　　　；将数据存放到SRAM中
cpi zl, $08                         ；DES要加密的数据是64比特，即8个字节
brne RX                           ；不够一个分组则继续接收
……
rcall DESjiami 　　　　　　　　　　；调用DES加密的AVR仿真程序
…….
ld r23,z+　　　　　　　　　　　　　；利用z指针取出加密后的数据
out UDR0,r23　　　　　　　　　　 ；将加密后的一个字节数据发送到端口
TX:             (发送部分)
sbis UCSR10, TXC0　　　　　　　 ；一个字节的数据是否发送完毕
rjmp TX　　　　　　　　　　　　　；如果数据没有传输完毕继续
ld r23,z+                       　 ；利用z指针取出加密后的数据
out UDR0,r23                     ；将加密后的一个字节数据发送到端口
TX1:
sbis UCSR10,UDRE0        ；UART0数据寄存器件是否为空,即发送器是否接收新的数据
rjmp TX1                        ；没有则继续等待
cpi zl,$18                        ；加密后的64 bit数据是否全部发送完毕
brne TX                          ;没发送完毕则继续发送

(以上程序代码是整个仿真的程序框架，主要的是对接口进行初始化和对发送和接收部分进行设置，以便进行串口的通信)

2.1.2器件编程与试验验证

1.    将电缆ATDH2225的25针的一端从计算机的并行口接出，令一端10针扁平线插入ATSTK94实验板的J1插头上。电缆的标有红色的线和J1插头的脚连接（■标示）。

2.    因为要和计算机串口进行通信，因此要制作一个串口连接电缆，其九针连接电缆的连接关系。电缆一端连接在计算机的任意串口上，另一端连接在实验板上的UART0上。连接电缆只需要连接三根线，UART0的2端连接在FPSLIC的发送端，因此它和计算机的串口2端(接收数据端)相连。UART0的3端连接在FPSLIC的接收端，因此它和计算机的串口2端(发送数据端)相连。

3.    选择4MHz时钟，即在实验板上将JP17设置在靠近板子内侧位置，而将JP18不连接，也就是将其连接跳线拔掉。

4.    将直流9V电源接头插入ATSTK94实验板的电源插座P3上。

5.    将实验板上的开关SW10调至PROG位置。开关SW10有编程(PROG)和运行(RUN)两种连接。在编程位置，用户可以通过电缆和程序软件CPS,将System Designer生成的FPSLIC数据流文件给配置存储器编程。在运行位置，FPSLIC器件将载入数据流文件并运行该设计。 

6.    打开电源开关SW14,即将它调整到ON位置。这时候实验板上电源发光二极管（红色）发光，表示实验板上已经上电。这样，硬件就连接完毕，等待下一步的数据。

7.    单击OK按钮，即生成数据流文件，它将到ATSTK94实验板的配置存储器中，这时，Atmel的AT17配置可编程系统(CPS)窗口被打开，并自动给器件编程。

在Procesure下拉列表框中选择/P Partition,Program and Verify from an Atmel File。在Family下拉列表框中选择AT40K/Cypress,在Device下拉列表框中选择AT17LV010(A)(1M)。其余采用系统的默认值。然后点击Start Produce按钮，如果电缆等硬件设置正确，那么程序将到实验板上。

8.     将开关SW10调至RUN位置，打开串口调试程序Accesspot129软件。对于Accessport129的设置为：串口为COM1(根据用户选择的计算机端口来设定),波特率：9600，校验位：NONE，数据位为8 ，停止位选择1，串口开关选择开；

3  试验结果：

下面方框中是要输入的64比特的明文，(程序中输入的明文为0123456789ABCDEF),当这64个比特的数据全部输入完毕后，点击发送按钮，在软件上方的数据接收端显示出经过DES算法加密后的密文(85E813540F0AB405)。通过硬件实现的的结果和实际仿真结果是完全一致的。同时通过数码管也分别显示出的加密数据。至此整个硬件试验结束。

从上面的串口调试软件可以看出，DES算法的仿真是正确的也是可以在实际中应用的。同理，可以通过以上的方法来实现DES解密和AES等其它的分组加解密。 

参考文献:

[1]. AT94K datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AT94K_636741.html.
[2]. RISC datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/RISC_1189725.html.
[3]. ALU datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ALU_2089372.html.
[4]. ATDH2225 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ATDH2225_1339354.html.
[5]. ATSTK94 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ATSTK94_1340211.html.
[6]. Device datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/Device_1397784.html.