论文摘要：基于SMS4的加密通信可编程片上系统设计与实现

 

串行通信是广泛使用的一种通信方式，为了保证数据传输安全，对串行通信数据加密是必要的技术手段。SMS4算法是我国公布的第一种适合数据加解密的密码算法，对于我国信息安全技术的自主可控具有重要意义，应该采用SMS4密码算法开展加密通信系统设计。

可编程片上系统（SOPC）技术是新兴的电子系统设计技术，支持知识产权（IP）核的快速定制与复用。现有的系统实现架构中，处理器在加解密运算和串行通信的协调上仍需耗费较多的资源，通过IP核定制可以把相关协调工作以硬件逻辑实现，减少处理器资源开销，需要开展加密通信控制器IP核及其SOPC方面的研究。

本文对SMS4密码算法和串行通信控制器的硬件实现技术、加密通信系统实现架构、SOPC技术进行了研究，主要工作如下：

（1）      对比分析了串行通信和SMS4加解密运算的时间开销，给出了与串行通信数据吞吐量匹配的SMS4算法硬件实现架构，SMS4算法中的32轮迭代采用全循环架构、轮函数采用3级内部流水架构。

（2）      分析了SMS4算法中密钥扩展算法、加密算法和解密算法的的运行结构，给出了一种通用算法，将三部分算法统一描述。通用算法分为数据预处理阶段、32轮迭代运算阶段和数据后处理阶段等3个阶段，采用数据选择器及数据分配器对不同类型的运算进行区分，重新定义轮函数及合成置换，支持不同类型的运算对32轮迭代过程中非线性变换和异或操作的重用，节省了SMS4算法硬件实现资源。

（3）      提出了SMS4加密通信控制器IP的设计方法，通过非128位明文的加密传输数据控制功能、基于8位异步模式的128位数据串行收发功能的实现，将SMS4算法硬件逻辑隐藏到SMS4加密通信控制器IP的内部，有利于简化加密通信处理流程、减少处理器在加密通信方面的时间开销。

（4）      设计了集成SMS4加密通信控制器IP的加密通信系统架构，通过分析不同系统实现架构下加密通信任务的执行过程，并建立处理器执行加密通信任务所需时间的计算公式，证明了集成SMS4加密通信控制器IP的加密通信系统性能最高，在典型实现条件下，比其他系统实现架构的性能至少提高34.1%。

（5）      提出了SMS4加密通信SOPC的设计方法，通过集成处理器IP、SMS4加密通信控制器IP及其他功能IP实现了SOPC硬件，通过集成应用程序、板级支持包（BSP）实现了SOPC软件。SOPC技术使系统具备很强的可定制能力，可以灵活地扩展系统功能，满足多方面的应用需要。

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