基于FPGA的DES加密系统设计与实现

基于FPGA的DES加密系统设计与实现摘要随着信息技术的发展，计算机应用渗透到社会生活的各个领域，特别是军事的应用，使人们对信息的依赖程度越来越高，因而信息安全技术显得格外重要。加密作为信息安全中一个最为有力的武器，正在发挥着重要的作用。DES(DataEncryptionStandard)加密算法在成为加密标准到今天，经历了长期的考验。实践证明DES算法的安全性是能够满足大部分的安全要求的。采用软件方式实现的DES算法会在很大程度上占用系统资源，造成系统性能的严重下降，而DES算法本身并没有大量的复杂数学计算，在加/解密过程和密钥生成过程中仅有逻辑运算和查表运算，因而，无论是从系统性能还是加/解密速度的角度来看，采用硬件实现都是一个理想的方案。随着微电子技术的发展，可编程逻辑器件由早期的只读存贮器((PROM)发展到今天十分流行并广泛应用的现场可编程门阵列FPGA。FPGA具有体系结构和逻辑单元灵活，集成度高以及实用范围宽等特点，可以实现较大规模的电路，编程也很灵活，而且设计开发周期短，设计制造成本低，开发工具先进，标准产品无需测试，质量稳定以及可实时在线检验等优点，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产。所以，应用FPGA来设计和实现DES加密算法具有十分重要的现实意义和广阔的应用前景。本文设计实现了一种基于FPGA的DES加密系统。概括起来，本文主要完成了以下几方面的主要工作:1:完成了DES加密系统的整体设计。整个系统包括DES加密核心模块，UART通信接口模块和BLOCKRAM存储模块。2:以EITS2003开发板为硬件开发平台，ISEwebpack为开发软件，用Verilog硬件描述语言设计并且实现了三大模块的具体功能及整体连接。3:用PC，串口调试工具，UART通信接口和EITS2003开发板测试并验证了整个系统的功能。4:探讨了DES加密系统在军事通信总站内的应用。关键字:DES,FPGA,Verilog,UART,B1ockRAM,数据加密ABSTRACTWiththedevelopmentofinformationtechnology,theapplicationofcomputerhascomeintosocialanyfield.Especiallyinmilitaryfield,peoplerelyoninformationmoreseriously.Soinformationsecuritybecomesveryimportant.Encryptionasasortofpowerweaponiswidelyusedinthefieldofinformationsecurity.DES(DataEncryptionStandard)encryptionarithmetichasstoodthelongtestfromwhenitbecametheencryptionstandardtonow.ItisprovedbymuchpracticethatthesecurityoftheDESencryptioncansatisfythevoluminousneedofsecurity.ImplementingtheDESarithmeticbysoftwarewillengrossmuchsystemresourceandmakethesystemfunctiondecline.ButtheDESarithmetichasnotmuchandcomplexmathematicscountandonlyhaslogicoperationandlook-up-tableoperation.So,thinkingfromthepointofsystemfunctionandspeedofencryptionanddecryption,implementingtheDESarithmeticbyhardwareisanidealproject.Withthedevelopmentofmicro-electronictechnology,theprogrammablelogicdevicedevelopfromearlierROMtoverypopularandextensiveappliedFPGA(FieldProgrammableGateArray)today.TheFPGAhasthecharacteristicofflexiblesystemstructureandlogicunit,highIntegrationandwideapplication.Especially,theFPGAcancarryoutthemorelarge-scalecircuit,programmedflexibly.WhentheengineersusetheFPGAtodesignanddeveloptheproduct,thetimeisshort,thecostislow,thetoolisadvanced,thestandardproductdon'tneedtotest,thequalityissteadyandtheproductcanbeinspectedonline.So,theFPGAiswidelyusedtodesignandmakeproduct.Therefore,usingtheFPGAtodesignandimplementtheDESencryptionarithmeticisveryimportantanditwillbewidelyusedinmuchfield.Themaincontributionsofthepaperareasfollow:1:CompletedthewholedesignoftheDESencryptionsystem.ThewholesystemincludestheDESencryptioncoremodule,heUARTcommunicationinterfacemoduleandBlockRAMmemorymodule.2:UsedtheVeriloghardwaredesignlanguagetodesignandimplementthefunctionandthewholeconnectionofthethreemodulesbytheEITS2003asthehardwaredevelopmentflatroofandtheISEwebpackasthesoftwaredevelopmenttool.3:UsedthePC,SCOMAssistant,theUARTcommunicationinterfaceandtheEITS2003developmentplatrooftotestandrerifythefunctionofthewholesystem.4:DiscussedtheapplicationoftheDESencryptionsysteminthemilitarycommunicationstation.Keywords:DES,FPGA,Verilog,UART,BIockRAM，DataEncryption摘要…………………………………………..………………………………………………..工ABSTRACT…………………………………………………………………………………..工工第一章绪论………………………………………………..………………………………………11.1DES的基本概念及特点…………………………………………………………….…..11.2基于FPGA的DES加密系统的研究背景，意义，及应用前景………………………..11.2.1DES加密系统现状及发展………………………………………………...……..11.2.2PLD发展过程………………………………………………..…………………..11.3本文主要工作及章节安排…………………………………………………………….....21.3.1本文主要工作………………………………………………….……………..…..21.3.2章节安排……………………………………………………………………….…..2本章小结…………………………………………………………………………………..…..3第二章DES加密算法原理及系统开发环境……………………………………………….……..42.1DES加密算法原理……………………………………………………………...………..42.1.1DES加密算法原理简介……………………………………………...…………..42.1.2初始序列变换IP………………………………………………….………………52.1.3加密函数f………………………………………………..……….………………62.1.4子密钥生成………………………………………………..……..………………92.2系统开发环境………………………………………………..………….………………112.2.1硬件开发平台E工TS2003……………………………………………………..112.2.2软件开发工具ISEWebPack……………………………………..……………..122.2.3硬件描述语言VerilogHDL………………………………….………..………..13本章小结…………………………………………………………………..…………………15第三章DES加密系统设计与实现……………………………………………………..………..163.1DES加密系统设计方案………………………………………………………………..163.1.1DES加密核心设计方案………………………………………………………..163.1.2通信接口设计方案………………………………………………………….…..173.1.3BlockRAM存储模块设计方案…………………………………………...……..183.1.4系统设计实现的功能…………………………………………………..….……183.2DES加密系统的实现………………………………………………...…………………193.2.1DES加密核心模块的实现………………………………………..………...…..193.2.2UART通信接口模块的实现………………………………………………..…..213.2.3B1ockRAM存储模块的实现………………………………….…………..……..223.2.4DES加密系统整体设计结果………………………………….…………..……25本章小结…………………………………………………………………….………….……31第四章性能分析与功能验证...................………………………………………….…..................324.1性能分析…………………………………………………………………..…….………324.1.1DES加密核心的性能分析………………………………………..…….………324.1.2整体性能分析……………………………………………………..…………….324.2功能验证…………………………………………………………………..…………….334.2.1基于ModelSim仿真的功能验证………………………………….……………334.2.2实际硬件验证…………………………………….………………..……………34本章小结………………………………………………………………………..……………36第五章DES加密系统在军事通信总站内的应用……………………………………………..375.1DES加密系统在军事通信总站内的应用背景………………………………………375.2军事通信总站用户服务呼叫中心系统结构………………………………………….375.3DES加密系统在军事通信总站用户服务呼叫系统中的应用………………………39本章小结……………………………………………………