基于FPGA的硬盘数据加密系统研究

论文摘要

随着信息数据存储需求的逐步加大,人们对保护硬盘数据免受侵害的关注程度也越来越高。硬盘数据加密是当前保护硬盘数据的主要趋势和手段。相比软件加密方法,硬件加密方法不依赖系统资源,不容易被破译,并可采用独立可靠的密钥管理方式。因此设计硬盘加密系统具有重要的应用和研究价值。本文针对ATA硬盘,整合AES密码技术和FPGA芯片技术、,完成硬盘数据实时加／解密的硬件实现；采用自底向上的设计方法,实现了主板与硬盘之间的桥接芯片系统的设计。该系统采用高级数据加密标准算法(AES),完成了对硬盘数据读写的实时加／解密功能。本文首先提出了系统的整体设计方案,根据功能将系统分为两个主要单元进行设计,并针对工作中的难点和关键技术进行了分析。其次,详细阐述了协议控制单元和数据处理单元的分析、设计以及硬件实现。先对ATA协议加解密前后的时序进行了分析,给出了经过了数据处理后的ATA协议的硬件实现。后对数据处理单元进行了设计,利用流水线技术实现了AES算法,解决了ATA协议和AES算法数据宽度不一致等问题。最后,给出系统的整体实现。利用LogicLock技术对系统进行优化,利用嵌入式逻辑分析仪对芯片的加解密功能进行了分析测试。通过测试可以知道,该系统完成了对ATA协议中传输的数据进行实时的AES加解密,达到了预期的实验效果,并对前面工作情况进行总结,提出工作中的不足,明确了下一步的工作方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景与意义
• 1.2 硬盘数据保护的现状
• 1.3 主要工作
• 1.4 本文的组织结构
• 第二章 硬盘加密系统整体设计
• 2.1 FPGA设计基础
• 2.1.1 FPGA简要描述
• 2.1.2 硬件描述语言概况
• 2.2 开发环境介绍
• 2.2.1 Verilog HDL介绍
• 2.2.2 Altera Quartus Ⅱ介绍
• 2.3 系统的整体设计
• 2.3.1 硬盘加密的可行性
• 2.3.2 加密系统整体设计方案
• 2.3.3 难点分析与关键技术
• 第三章 协议控制单元分析与实现
• 3.1 ATA协议介绍
• 3.1.1 ATA协议简述
• 3.1.2 ATA接口管脚信号
• 3.1.3 寄存器组
• 3.1.4 硬盘读写操作
• 3.2 ATA控制器的设计实现
• 3.2.1 ATA主要命令流程分析
• 3.2.2 PIO传输设计实现
• 3.2.3 UDMA传输设计实现
• 3.3 ATA协议传输加密的实现
• 3.3.1 PIO加密传输的实现
• 3.3.2 UDMA加密传输的实现
• 第四章 数据处理单元设计与实现
• 4.1 AES算法流程
• 4.2 AES算法单元设计
• 4.2.1 算法设计方案
• 4.2.2 算法单元结构框图
• 4.3 AES模块具体实现
• 4.3.1 轮运算模块实现
• 4.3.2 密钥扩展模块实现
• 4.3.3 接口与控制模块实现
• 4.4 其它数据处理单元设计与实现
• 4.4.1 CRC校验电路设计实现
• 4.4.2 FIFO缓存器设计与实现
• 第五章 系统的整体实现与测试
• 5.1 整体实现
• 5.1.1 顶层实现
• 5.1.2 系统优化
• 5.2 系统测试
• 5.2.1 测试环境
• 5.2.2 仿真测试
• 5.2.3 片上测试
• 第六章 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 后期展望
• 参考文献
• 致谢