基于MEMS和FPGA的移动硬盘数据加解密系统

5. AES 加密模块的实现

AES 的设计原理可参考文献，下面只简单介绍算法过程。AES 是一个迭代的分组密码， 每一轮迭代称为一个轮变换，包括一个混合和三个代换：

（1）字节代换（SubBytes）：利用S 盒对状态的每一个字节进行非线性变换。

（2）行移位（ShiftRow）：对状态的每一行，按不同的位移量进行行移位。

（3）列混合（MixColumn）：对状态中的每一列并行应用列混合，在最后一轮省略该步。

（4）扩展密钥加（AddRoundKey）：与扩展密钥异或。 加密算法的流程如图4 所示。



相应的，解密算法使用逆序的扩展密钥，轮变换分别为InvSubByte，InvShiftRow， InvMixColumn，数据流程稍有不同。

我们设计的AES 加密运算模块以128 位为一个分组，完成一个分组的运算需要11 个时钟 周期。第1 个时钟周期，密钥扩展模块输出第1 个扩展密码，也就是初始密码本身；同时初始 变换模块用这个扩展密码对128 位明文作AddRoundKey 操作。

第2 个到第11 个时钟周期，密 钥扩展模块依次生成10 个扩展密码，同时，轮变换模块利用这些扩展密码对输入密文作10 个 轮次的轮变换，其中最后一轮缺少列混合操作，然后输出最终的密文，结束一个分组的运算。

6. 数据吞吐率分析

Ultra DMA 在模式2 下的数据传输率为33.33MB/s。由于FPGA 全局时钟频率为100MHz， 所以加解密一个128 位分组需要110ns。加上数据的输入和输出阶段各占用一个时钟周期，总共 需要130ns。所以加解密模块的数据处理速率约为61.54MB/s，完全能够达到实时处理的要求。

7. 结束语

本文提出了一种安全高效的USB 移动硬盘数据加解密系统。其中，MEMS 强链的应用开辟 了系统物理认证的新方向；Ultra DMA 协议接口的FPGA 实现大大提高了硬盘读写的吞吐率，同时AES 加解模块的处理速率又能完全满足Ultra DMA 传输带宽，两者的有机协作使得一种高 效的硬件加解密流水线得以实现。