一种基于SMS4的加密通信可编程片上系统设计

问SMS4加密通信控制器，屏蔽128位加解密过程，具备非128位明文的加密传输数据控制过程对处理器透明、兼容通用串行传输协议、处理器加密通信负载小等特点。

一般的串行通信控制器以8位数据进行收发，当进行128位密文传输时，存在数据发送接口、数据接收接口、接收线状态接口设计的位宽不匹配问题。通过设计128位宽发送数据FIFO、128位宽接收数据FIFO、128位区间接收线状态FIFO，缓冲128位密文数据和相应的接收线状态;通过128位/8位收发匹配逻辑，实现发送数据的128位/8位转换、接收数据的8位/128位转换、连续16 Byte的接收线状态组合译码;通过以上技术手段，突破基于8位异步模式的128位数据串行收发技术，使128位密文串行收发无需软件干预，故进一步降低了处理器的通信接口处理负载。

2 基于SMS4的加密通信实现

2.1 SMS4加密通信控制器IP技术

SMS4加密通信控制器IP功能组成如图3所示，分为8位串行收发功能逻辑、128位收发逻辑、面向串行通信的SMS4算法逻辑、非128位明文的加密传输数据控制逻辑和处理器访问接口逻辑。SMS4加密通信控制器IP对外提供8位数据位宽的处理器访问接口和8位串行收发数据接口，并兼容通用串行传输协议，将128位SMS4密码运算隐藏在IP内部。

8位串行收发功能逻辑提供8位数据收发、接收线状态检测、MODEM线控制与线状态检测功能。128位收发逻辑使128位SMS4密文和8位串行收发数据之间的传输能够平滑、顺畅地进行。面向串行通信的SMS4算法逻辑在完成128位SMS4加解密运算的同时，还具备FPGA资源利用少、加解密吞吐量与串行通信吞吐量匹配的特点。非128位明文的加密传输数据控制逻辑重点解决非128位明文的加解密运算和串行传输问题。处理器访问接口逻辑为处理器提供8位数据位宽的访问接口，使处理器对SMS4加密通信控制器IP的访问方式尽可能地接近于一般的8位串行通信控制器。

2.2 加密通信IP核仿真验证

本文设计了SMS4加密通信控制器IP核完成加密通信，图4为SMS4加密通信控制器IP的原理框图。

采用Altera公司的Quartus II FPGA开发工具完成SMS4加密通信控制器IP的HDL代码编译。

使用ISim仿真器进行SMS4加密通信控制器数据接收与发送仿真，得到仿真波形，如图5和图6所示。SMS4加密通信控制器IP对加密算法、数据收发、数据缓冲、接收线状态等功能进行了模块化设计，各个模块既相对独立又有机组合，可完成各自功能，不同模块之间进行数据和信号的交换实现时序控制、信息交互，从仿真结果可看出，SMS4加密通信控制器IP在不影响通信吞吐量的情况下，实现了数据的SMS4的加解密处理。

如图5所示，SMS4加密通信控制器IP接收数据通过信号wb_cyc_i作为计数器，每接收一个有效数据，产生一次脉冲。we_sel_i表示接收控制器片选信号，在接收期间保持为高;wb_adr_i表示数据地址，wb_dat_i则表示接收数据值。

如图6所示，SMS4加密通信控制器IP接收数据通过信号wb_cyc_i作为计数器，每接收一个有效数据，产生一次脉冲;we_sel_is表示发送控制器片选信号，在发送数据期间保持为低。wb_adr_i表示数据地址，wb_dat_i表示接收数据值。

面向串行通信的SMS4算法逻辑设计，并已集成到SMS4加密通信控制器IP中。使用ISim仿真器对SMS4算法逻辑的Verilog代码进行波形仿真，输入128bit数据，进行加解密，其仿真波形如图7所示。

从图中可看出，SMS4加密IP利用points计算通信量，图7的通信量为1 024bit，data_in表示输入加密数据，addr_wr表示加密过程中的地址转换;data表示输出解密后的密文。

2.3 基于SMS4的加密通信SOPC软硬件架构

基于SMS4的加密通信SOPC软硬件架构如图8所示，分为SOPC硬件层和SOPC软件层。SOPC硬件层由电源、复位、时钟、JTAG接口、FPGA、配置器件、存储器、串行数据收发器等电路组成，其中FPGA是核心器件，内部集成了处理器IP、存储器及桥IP、SMS4加密通信控制器IP等。 SOPC软件层主要南嵌入式操作系统内核、SMS4加密通信控制器驱动程序、SMS4加密通信应用程序等部分组成。

SOPC硬件功能方面，电源电路、复位电路、时钟发生器为SOPC提供必须的电源供应、上电和硬件复位信号、时钟同步信号。JTAG接口电路用于调试SOPC的硬件逻辑和软件程序，同时也用于在线下载FPGA配置文件。FPGA配置器件存储FPGA静态配置，在上电时自动对FPGA进行配置;由于FPGA内部存储资源有限，需外扩RAM、Flash等片外存储器。串行数据收发器实现TTL电气接口信号与RS-232/422电气接口信号的转换，使串行数据收发信号能适应远距离传输环境。

SOPC软件功能方面，嵌入式操作系统内核提供