基于FPGA的高速加密卡设计与实现

PCI—E总线接口向主机发送数据的过程：(1)PCI—E总线接口检测到由FPGA内部发送的启动PCI—E总线接口信号后，首先向主机发送中断信号，然后将数据缓存的数据组包后发送给主机。(2)主机接收到PCI—E总线接口的中断信号后，将PCI—E总线接口发送来的数据存入内存中。(3)PCI—E总线接口发送完数据后再次向主机发送中断信号，至此PCI—E总线接口向主机发送数据操作完成。
1．2．2 NiosII软核设计
NiosII软核处理器是Altera公司推出的第二代集成在FPGA内部的可配置的32位RSIC(Reduced InstructionSet Computer)嵌入式处理器，具有经济型、标准型和快速型3种，占用少量的FPGA资源，其中快速性NiosII软核性能较高，速度较快，可获得超过250DMIPS(Dhrystone Million Instructions executed Per Second)的性能。为使加密卡达到最快的运算速度，本次选用快速型NiosII软核处理器作为CPU，其通过Avalon总线与SM1算法芯片接口电路、数据缓存、PCI—E硬核接口以及其他接口模块等互联，共同组成硬件结构。基于NiosII的软核处理器采用C语言进行加密卡软件部分设计，软件主要功能是根据主机发送的命令控制加密卡完成数据加解密、密钥管理、权限管理和随机数生成等操作。同时通过NiosII软核指令与自定义硬件模块相结合，以软硬件协同的方式完成RSA算法电路的设计。
1．2．3 RSA算法设计
加密卡中的RSA算法操作主要包括密钥生成、密钥存储和加解密。到目前为止，密钥长度为1 024位的RSA算法已经无法保证加密数据的安全性，因此本次加密卡中的RSA算法采用2 048位的密钥。RSA算法操作中的密钥生成和密钥存储部分需要生成随机数，并对大量数据进行存储和转换，用硬件实现难度大，且效率不高，所以本次采用基于NiosII软核的软件方式实现该部分操作。RSA算法中的加解密操作需要对大位数的数据进行模幂运算，运算复杂，虽已有成熟的软件实现方式，但是该种方法实现的RSA算法运算速度慢，无法满足设计要求，而硬件实现方式已有成熟的算法，运算速度快，所以本次RSA算法的加解密部分采用硬件方式实现，通过NiosII软核控制RSA运算模块完成加解密操作。
模幂运算是RSA加解密的核心，可以通过模乘运算来实现，本次采用蒙哥马利算法实现模乘运算，该算法利用移位和加法代替了复杂的乘、模操作，易于在硬件上实现。NiosII软核中定制的RSA加解密运算指令的输入为密钥、数据长度和启动信号，输出为运算完成信号。当NiosII软核接收到RSA运算命令后，通过定制的模幂运算指令向RSA运算模块写入密钥和数据长度信号，然后启动该运算模块，RSA运算模块接收到Nios II软核的启动信号后，从数据缓存读取待运算数据进行加解密运算，运算完成后将运算结果存入数据缓存中，并向NiosII软核发送完成信号，NiosII软核接收到RSA运算完成信号后启动PCI—E总线接口，将运算结果发送给主机。这样采用软硬件结合的方式实现RSA加解密功能，不但能够保证RSA运算的正确性，降低RSA算法实现的复杂度，而且比采用纯软件实现方式提高了运算速度。
1．2．4 SM1接口电路设计
在FPGA内设计有一个专用SM1算法芯片的接口控制电路，用于控制SM1算法芯片实现数据的加解密操作。SM1算法芯片采用双总线命令和组包操作方式，具有较高的运算速率。所以接口电路主要由写状态机和读状态机组成，分别控制对SM1算法芯片进行写数据操作和读运算结果操作。接口电路的工作原理：加密卡上电后，首先对SM1算法芯片进行硬件复位，然后检查由NiosII软核发送的SM1算法启动信号，若该信号有效，则同时启动写状态机和读状态机，这样能够在进行写数据操作时，也读取运算结果值，从而提高SM1算法命令的执行速率。图4和图5分别为写操作状态机和读操作状态机的设计。

2 设计实现
设计采用NiosII Eclipse开发软件完成加密卡软件程序设计，采用QuaxtusII 11．0工具软件完成加密卡硬件电路设计，并对所设计的软硬件进行了整合和仿真验证。在验证设计的正确性后，完成了对FPGA内部整体电路的布局及综合，并制作成加密卡样品。在Windows系统下对所设计的加密卡连续测试168 h，加密卡工作正确；和已有的基于DSP和PCI—E桥接芯片设计的加密卡进行测试比较，结果如表1所示，本次设计的加密卡能够正确地完成各项功能，同时RSA算法的运算速度为5．9次／s，SM1运算速度为295 Mbit·s-1，较已有加密卡RSA运算的3．5次／s和SM1运算的240 Mbit·s-1有了大幅提高，所以本次加密卡在保证可靠性的同时，运算速度更快。

3 结束语
基于增强信息安全的思想，设计了一种基于FPGA的低成本、高性能的加密卡。采用FPGA内部资源实现了加密卡的控制器模块、算法模块、通信接口模块和各种接口等主要功能。并对两种不同结构设计方式的加密卡进行了性能比较测试，结果表明采用FPGA单芯片结构设计方式的加密卡功能正确，电路板结构简单，可靠性强并且具有更高的灵活性和运算速度，达到了预期的目标。目前所设计的加密卡只集成了SM1和RSA算法，今后根据需要，可在FPGA内部通过扩展硬件或软件的方式来增加其它的加密算法功能，所以，该加密卡实用性强，具有可扩展性，在信息安全领域具有良好的发展前景。