基于MEMS强链和FPGA的USB移动硬盘数据加解密系统

图 3 中的全局控制状态机负责整个系统的控制和协调，它实时的监测PIO 写入命令，并在恰当的时机把IDE 总线控制权切换给加密流水线或解密流水线。当加解密流水线执行完一次 DMA 传输命令后，总线控制权会重新交还给全局控制状态机。

　　5. AES 加密模块的实现

　　AES 的设计原理可参考文献[1]，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。