AES算法的快速硬件设计与实现

　　3.2 流水线设计

　　AES算法结构简单，只需要逻辑运算和查找表运算。笔者通过优化设计轮函数，使得基本迭代方式下的时钟频率远高于PCI接口的时钟频率33MHz。本文在满足算法时钟频率的基础上，通过降低算法分组数据的处理时间来提高吞吐量。具体做法是：采用两级轮外流水线，将AES算法的10轮迭代过程分为前后两个操作段，每个操作段可作为一级流水线，在操作段内部，每轮之间以反馈(FB)方式完成5轮基本迭代，前一个操作段结束后，将结果直接送入第二个操作段，同时去处理下一个分组数据，两个操作段互不影响，并行执行。考虑到实际应用中数据总线宽度(如PCI总线)通常为32位，这里将AES算法IP核的数据宽度设置为32位，4个时钟输入/输出一个分组数据。为了与每一级流水线5轮迭代过程相匹配，在输入/输出分组数据的第5n个时钟内执行一轮空操作，使得输入明文数据、输出密文结果、第一级流水线和第二级流水线四步操作同时执行，从而实现图3所示的流水线过程。在得到第一个分组结果后 ，每5个时钟就会产生一个分组结果，从外部看起来，完成一个分组仅需要5个时钟。

　　3.3 实验结果与性能分析

　　将设计在QuartusⅡ4.2软件中综合，仿真最高频率为78.38MHz，完全可以满足较低全局时钟频率的要求。整个系统设计采用33MHz时钟，实验测试结果表明，吞吐量已达到810Mbps。如果提高全局时钟频率，则吞吐量会超过1Ｇbps。

　　根据AES算法的特点及硬件加密系统的特点，给出了AES算法IP核的快速硬件设计方案。采用流水线技术和优化设计，在较低频率下，可以获得很高数据吞吐量，使加密算法的FPGA实现过程不再是传输速度的瓶颈。整个设计具有很强的实用性，运行稳定，且效果良好。对于AES算法分组长度和密钥长度为 192bit和256bit的情况，由于分组长度不同，执行轮数有所增加。要实现流水线操作并在资源使用和吞吐量方面达到较好的效果，还需要进一步优化设计，这也是今后研究的方向。

　　参考文献

1 Standaert.Efficient implementation of rijndael encryption in reconfigurable hardware：improvements and design tradeoffs.CHES 2003，LNCS 2779：334～350
2 Saggese.An FPGA-based peRFormance analysis of the unrolling，tiling and pipelining of the AESAlgorithm.FPL 2003，LNCS 2778：292～302
3 Gaj K，Pawel Chodowie.Comparison of the hardware perfor-mance of the AES candidates using reconfigurable hardware
4 Danmen J，Riijmen V.AES Proposal：rijndael.AES algorithm submission.AES home page：http：//www.nist.gov/aes，1999-09-03