基于MEMS強鏈和FPGA的USB移動硬盤數據加解密系統

圖 3 中的全局控制狀態機負責整個系統的控制和協調，它實時的監測PIO 寫入命令，并在恰當的時機把IDE 總線控制權切換給加密流水線或解密流水線。當加解密流水線執行完一次 DMA 傳輸命令后，總線控制權會重新交還給全局控制狀態機。

　　5. AES 加密模塊的實現

　　AES 的設計原理可參考文獻[1]，下面只簡單介紹算法過程。AES 是一個迭代的分組密碼， 每一輪迭代稱為一個輪變換，包括一個混合和三個代換：

　　（1）字節代換（SubBytes）：利用S 盒對狀態的每一個字節進行非線性變換。

　　（2）行移位（ShiftRow）：對狀態的每一行，按不同的位移量進行行移位。

　　（3）列混合（MixColumn）：對狀態中的每一列并行應用列混合，在最后一輪省略該步。

　　（4）擴展密鑰加（AddRoundKey）：與擴展密鑰異或。 加密算法的流程如圖4 所示。

　　相應的，解密算法使用逆序的擴展密鑰，輪變換分別為InvSubByte，InvShiftRow， InvMixColumn，數據流程稍有不同。

　　我們設計的AES 加密運算模塊以128 位為一個分組，完成一個分組的運算需要11 個時鐘 周期。第1 個時鐘周期，密鑰擴展模塊輸出第1 個擴展密碼，也就是初始密碼本身；同時初始 變換模塊用這個擴展密碼對128 位明文作AddRoundKey 操作。

　　第2 個到第11 個時鐘周期，密 鑰擴展模塊依次生成10 個擴展密碼，同時，輪變換模塊利用這些擴展密碼對輸入密文作10 個 輪次的輪變換，其中最后一輪缺少列混合操作，然后輸出最終的密文，結束一個分組的運算。

　　6. 數據吞吐率分析

　　Ultra DMA 在模式2 下的數據傳輸率為33.33MB/s。由于FPGA 全局時鐘頻率為100MHz， 所以加解密一個128 位分組需要110ns。加上數據的輸入和輸出階段各占用一個時鐘周期，總共 需要130ns。所以加解密模塊的數據處理速率約為61.54MB/s，完全能夠達到實時處理的要求。

　　7. 結束語

　　本文提出了一種安全高效的USB 移動硬盤數據加解密系統。其中，MEMS 強鏈的應用開辟 了系統物理認證的新方向；Ultra DMA 協議接口的FPGA 實現大大提高了硬盤讀寫的吞吐率，同時AES 加解模塊的處理速率又能完全滿足Ultra DMA 傳輸帶寬，兩者的有機協作使得一種高 效的硬件加解密流水線得以實現。