USB2.0加密接口芯片的设计及其FPGA验证

论文摘要

信息安全在当今的社会生产生活中已经被广为关注,对敏感信息进行加密是提高信息安全性的一种常见的和有效的手段。常见的加密方法有软件加密和硬件加密。软件加密的方法因为加密速度低、安全性差以及安装不便,在一些高端或主流的加密处理中都采用硬件加密手段对数据进行处理。硬件加密设备如加密狗和加密卡已经广泛地应用于信息加密领域当中。但是加密卡和加密狗因为采用的是多芯片结构,即采用独立的USB通信芯片和独立的加密芯片来分别实现数据的USB传输和加密功能,如果在USB芯片和加密芯片之间进行数据窃听的话,很轻易地就可以获得未加密的明文数据。作者提出了一种新的基于单芯片实现的USB加密接口芯片的构想,采用一块芯片实现数据的USB2.0通信和AES加密功能,命名为USB2.0加密接口芯片。USB2.0加密接口芯片采用了USB2.0接口标准和AES加密算法。该加密芯片可以实现与主机的快速通信,具有快速的密码处理能力,对外提供USB接口,支持基于USB密码载体的自身安全初始化方式。根据设计思想,课题研究并设计了USB2.0加密接口芯片的总体硬件架构,设计了USB模块和AES加密模块。为了解决USB通信模块与AES加密模块之间存在的数据处理单元匹配以及速度匹配问题,本文设计了AESUSB缓冲器,优化了AES有限域加密算法。最后,利用VerilogHDL语言在FPGA芯片上实现了USB2.0加密接口芯片的功能,并在此基础之上对加密芯片的通信和加密性能进行了测试和验证。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究课题的背景及技术现状
• 1.2 本课题要解决的问题和方案的确定
• 1.2.1 课题要解决的问题及所做的内容
• 1.2.2 方案论证
• 1.3 论文结构
• 第二章 USB2.0加密接口芯片的功能及其工作原理
• 2.1 功能介绍
• 2.2 工作原理
• 第三章 USB2.0模块设计
• 3.1 USB2.0概述
• 3.1.1 USB2.0系统结构
• 3.1.2 USB2.0电气信号特征
• 3.1.3 USB2.0数据传输协议新特点
• 3.1.4 USB2.0带宽计算
• 3.1.5 USB2.0描述符和请求命令
• 3.2 USB2.0模块设计
• 3.2.1 结构设计
• 3.2.2 时钟
• 3.2.3 WISHBONE接口与存储器接口
• 3.2.4 UTMI接口
• 3.2.5 协议层
• 3.2.6 USB2.0通信模块的操作分析
• 3.2.7 寄存器与端口定义
• 3.2.8 HDL文件结构描述
• 第四章 AES模块设计
• 4.1 AES概述
• 4.1.1 有限域内的运算
• 4.1.2 AES算法原理
• 4.2 AES模块设计
• 4.2.1 结构设计
• 4.2.2 AES模块时序控制
• 4.2.3 AES加密模块端口定义
• 4.2.4 HDL文件结构
• 第五章 USB2.0加密接口芯片设计关键技术
• 5.1 AESUSB缓冲器
• 5.2 AES中有限域运算的优化及FPGA设计研究
• 第六章 FPGA设计与验证
• 6.1 FPGA设计与验证方法概述
• 6.2 FPGA实现及验证
• 6.2.1 验证方法及内容
• 6.2.2 验证平台介绍
• 6.3 系统性能测试与验证
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果