基于USB2.0+FPGA的密码算法硬件实现平台设计

论文摘要

硬件加密的诸多优势使得国内外对它的研究开发越来越重视,而密码算法硬件实现的研究更是其中的核心内容。一般来说,密码算法硬件实现研究大多使用通用型FPGA(Field Programmable Gate Array,FPGA)开发平台或者是针对某个项目特别开发的硬件电路。前者缺乏针对性并且体积较大,但是具有高灵活性;后者虽然有很强的针对性,易于控制成本,但是开发周期长,应用范围有限。本文尝试结合两者的优点,采用USB 2.0(Universal Serial Bus 2.0,USB2.0)接口主电路板和FPGA密码算法处理电路板分离的设计(两块电路板使用预定义的插槽连接),并预留足够的标准数据和控制信号接口,设计了基于USB2.0和FPGA技术的密码算法硬件实现平台。该平台不仅可以供开发设计阶段使用,也可以方便地用于演示。论文深入分析研究了USB的体系结构及其设备架构、对比分析了目前广泛使用的几种密码算法硬件实现方式,对整个平台系统架构、各个层面的划分及其解决方案给出了详细的分析与讨论,并采用VHDL(VHSICHardware Description Language,VHDL)语言实现了几个FPGA逻辑模块,对平台设计的有效性和功能进行了验证。所设计的平台具有快速的数据处理和高速的数据交换能力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景与意义
• 1.1.1 国内外研究现状与水平
• 1.1.2 课题的研究意义
• 1.2 论文研究内容及论文结构
• 1.2.1 论文研究内容
• 1.2.2 论文结构
• 第二章 平台相关技术研究
• 2.1 USB接口技术研究
• 2.1.1 USB体系的通信模型与设备架构
• 2.1.2 列举
• 2.1.3 USB的传输要素
• 2.1.4 USB控制器的比较与选择
• 2.2 密码算法的硬件实现方式
• 2.2.1 密码算法硬件实现方式的比较
• 2.2.2 FPGA器件的选择
• 第三章 平台的总体设计
• 3.1 系统总体设计目标
• 3.2 系统结构组成与工作原理
• 3.3 硬件层设计
• 3.3.1 USB2.0接口模块
• 3.3.2 FPGA模块
• 3.3.3 FPGA配置模块
• 3.3.4 串行通信模块
• 3.3.5 电源模块
• 3.3.6 扩展模块
• 3.4 固件层设计
• 3.4.1 固件框架
• 3.4.2 固件代码的存储与执行
• 3.5 软件层设计
• 3.6 系统开发技术路线
• 第四章 硬件层的设计与实现
• 4.1 电路原理图设计
• 4.1.1 USB2.0接口模块电路的设计
• 4.1.2 FPGA配置模块电路的设计
• 4.1.3 CY7C68013与 FPGA的连接方式设计
• 4.1.4 FPGA模块电路的设计
• 4.1.5 串行通信模块电路的设计
• 4.1.6 电源模块电路的设计
• 4.1.7 扩展模块的电路设计
• 4.2 PCB制图与设计
• 第五章 固件层的设计与实现
• 5.1 固件开发与调试工具
• 5.2 固件设计目标
• 5.3 固件设计实现
• 5.3.1 描述符表
• 5.3.2 初始化与配置
• 5.3.3 GPIF波形设计
• 5.3.4 数据的读写操作
• 5.3.5 控制信号
• 第六章 系统功能模拟测试
• 6.1 测试环境与测试方案
• 6.2 批量数据写入与读出的验证
• 6.3 数据加密测试
• 6.4 伪随机数发生器测试
• 第七章 结束语
• 7.1 工作总结
• 7.2 主要创新点
• 7.3 研究课题展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的学术论文
• 附录: 数据读写测试实验结果图