网站开发项目需求书,wordpress 前端投稿,快速优化网站排名搜索,网站建设与管理教学大纲杯赛题目#xff1a;基于蜂鸟E203 RISC-V处理器内核的SoC设计 参赛要求#xff1a;研究生组/本科生组 赛题内容#xff1a; 基于芯来科技的开源蜂鸟E203 Demo SoC进行扩展#xff0c;在限定的可编程逻辑平台上构建面向专用应用领域#xff08;譬如人工智能、信息安全、工业… 杯赛题目基于蜂鸟E203 RISC-V处理器内核的SoC设计 参赛要求研究生组/本科生组 赛题内容 基于芯来科技的开源蜂鸟E203 Demo SoC进行扩展在限定的可编程逻辑平台上构建面向专用应用领域譬如人工智能、信息安全、工业控制等的SoC进而完成一定实际应用。要求在所搭建的SoC中实现专门的硬件加速器以提高系统整体性能所实现的系统具有创新性、实用性以及市场应用前景。 团队介绍
参赛单位电子科技大学 队伍名称第N队 指导老师路志刚 参赛队员朱俊宛、罗扬、岳修立 总决赛奖项三等奖
1. 项目简介
随着信息化和数字化社会的发展人们对信息安全和保密的重要性认识不断提高信息加密算法也在不断的发展进步之中。SM4密码算法是国家密码管理局正式的《祖冲之序列密码算法》等6项密码行业标准之一。本项目基于开源E203处理器在FPGA开发板上对国产密码算法SM4算法进行实现和优化并实现了对字符串的加密与解密。
1.1 系统框架
系统控制端通过串口通信FPGA开发板发送命令操作类型加密\解密、操作数据明文\密文、密钥。FPGA上的E203 SoC接收来自控制端的命令并运行硬件加速后的SM4算法程序进行处理处理后的结果通过串口通信返回给控制端如下图所示。
1.2 SM4算法原理
1.2.1 概述
SM4算法是一种分组密码算法。其分组长度为128bit密钥长度也为128bit。加密算法与密钥扩展算法均采用32轮非线性迭代结构以字32位为单位进行加密运算每一次迭代运算均为一轮变换函数F。SM4算法加/解密算法的结构相同只是使用轮密钥相反其中解密轮密钥是加密轮密钥的逆序。 SM4算法的整体结构如图
1.2.2 轮函数
整体的加密函数F为 x(i4)F(x(i),x(i1),x(i2),x(i3),rk(i))x(i)⨁T(x(i1)⨁x(i1)⨁x(i2)⨁x(i3)⨁rk(i)) 其中T为一个合成置换由非线性变换S和线性变换L复合而成,如下图。
非线性变换S由具有256个固定的8bit数据的S盒构成S盒的数据均采用16进制。输入的8bit数据作为S盒中地址的索引地址中所包含的8bit数据即为S盒的输出。非线性变换S函数表达式可以表示为 B(b1,b2,b3,b4)S(A)(sbox(a1),sbox(a2),sbox(a2),sbox(a2)) 线性变换L的公式如下 CL(B)B⨁(B≪2)⨁(B≪10)⨁(B≪18)⨁(B≪24) 其中B为非线性变换得到的字。
1.2.3 轮密钥
已知加密密钥MK(MK0,MK1,MK2,MK3)系统参数FK(FK0,FK1,FK2,FK3) 固定参数CK(CK0,CK1,⋯⋯,CK31) 。 轮密钥rki即为密钥扩展的结果由加密密钥扩展生成过程如下 首先 (K(0),K(1),K(2),K(3))(MK0⨁FK0,MK1⨁FK1,MK2⨁FK2,MK3⨁FK3) 然后对于i0,1,⋯⋯,31: rk(i)K(i4)K(i)⨁T’(K(i1)⨁K(i1)⨁K(i2)⨁K(i3)⨁CK(i)) 其中变换T’与轮函数的T变换基本相同只是将其中的线性变换L改为 L’(B)B⨁(B≪13)⨁(B≪23)
1.3 协处理器加速设计
1.3.1 软硬件功能划分
硬件功能利用协处理器实现SM4算法中的密钥拓展过程与加解密过程。 软件功能调用协处理器实现密钥拓展过程与加解密过程并对过程进行控制。
1.3.2 状态转换
根据SM4算法原理及软硬件功能划分六个状态分别为初始状态IDLE、密钥加载状态SKEY、密钥拓展状态KEY、输入加载状态SDAT、加解密运算状态DAT、输出返回状态PDAT。 当有相应的指令标识位置1时状态机将从初始状态进入相应的指令状态。当相应的状态完成标识位置1后状态机将从相应的指令执行状态进入初始状态。状态转换单元示意图如下。
1.3.3 数据运算
数据运算部分主要是在根据协处理器当前的状态进行相应的运算操作以实现SM4算法。数据运算单元示意图如下。
1. 当处于密钥加载状态SKEY时协处理器会将CPU送过来的与系统参数FK异或过的初始密钥k0、k1、k2、k3加载到下方4个寄存器中。 2. 当处于密钥拓展状态KEY时k0、k1、k2、k3会进行32轮非线性迭代运算在迭代过程中生成k4-k35,即轮密钥rk0-rk31,并存储到rk控制模块之中。 3. 当处于输入加载状态SDAT时协处理器会将CPU送过来的初始输入x0、x1、x2、x3加载到上方4个寄存器中。 4. 当处于加解密运算状态DAT时x0、x1、x2、x3会进行32轮非线性迭代运算会根据此时源操作数1的值决定轮密钥rki的使用顺序为0对应于加密操作为1对应于解密操作。迭代过程完成后将得到x31、x32、x33、x34即运算结果。 5. 当处于输出返回状态PDAT时协处理器会通过结果反馈通道nice_rsp_rdat将运算结果返回给CPU。
2. 仿真与测试
2.1 功能仿真
2.1.1 SM4算法纯软件实现功能仿真
vivado仿真波形
Tcl控制台结果
2.1.2 SM4算法协处理器加速实现功能仿真
vivado仿真波形
Tcl控制台结果
2.1.3 协处理器加速效果
对比两次仿真结果得到协处理器对SM4算法的加速效果为28520 / 337 84.6倍
2.2 整体测试
整体测试的实物连接如图
2.2.1 字符串加密
对字符串“Xinlai RISC-V Cup”进行加密密钥为0x1234578 1234578 1234578 1234578。结果如图。
2.2.2 字符串解密
将加密得到的密文 0x93677fad 32fc552f 760780b7 94b627cd 2a694043 86f3992f 2dad6065 0c4f1b48 进行解密操作结果如图。得到解密结果为“Xinlai RISC-V Cup”。验证了加密结果的正确性完成了对字符串的加密解密实现系统的预设功能。
3. 参赛体会
3.1 参赛感受
在三个多月的学习与实践之中经过VERLIOG的学习、VIVADO的使用、FPGA开发板的学习、RISK_V的学习、E203 SoC的移植、SM4算法的学习、协处理器的学习与应用等过程基本完成了基于E203 处理器内核的SM4算法硬件加速。从一个刚开始学习的小白一步步摸索前进。在不断遇到问题解决问题的过程中加深了对集成电路行业的理解提升我们的软件设计能力。 集创赛作为全国性的顶尖赛事汇集了来自全国各地各高校的优秀大学生。让我们在比赛过程中能够与如此多优秀的同龄人同台竞技相互交流极大拓展了自己的视野与能力。非常感谢集创赛赛事组委会的工作人员和老师们的组织与付出让我们有机会参与到这样一个充分展示风采的平台。
3.2 后续计划
1.加入其他算法例如SM3算法进行交互进一步提升其加密效果。 2.对输入输出及控制系统进行进一步的优化与拓展使用上位机来传输数据流和控制。 作品内容来源于第N队转载请标明出处。欢迎大家参加极术社区组织的有奖征集|秀出你的集创赛作品风采,免费电子产品等你拿~活动10月1日截止~
