本文格式為Word版，下載可任意編輯——基于FPGA的DES加密系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于FPGA的DES加密系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)應(yīng)用滲透到社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，特別是軍事的應(yīng)用，使人們對(duì)信息的依靠程度越來越高，因而信息安全技術(shù)顯得特別重要。加密作為信息安全中一個(gè)最為有力的武器，正在發(fā)揮著重要的作用。

DES(DataEncryptionStandard)加密算法在成為加密標(biāo)準(zhǔn)到今天，經(jīng)歷了長(zhǎng)期的考驗(yàn)。實(shí)踐證明DES算法的安全性是能夠滿足大部分的安全要求的。采用軟件方式實(shí)現(xiàn)的DES算法會(huì)在很大程度上占用系統(tǒng)資源，造成系統(tǒng)性能的嚴(yán)重下降，而DES算法本身并沒有大量的繁雜數(shù)學(xué)計(jì)算，在加/解密過程和密鑰生成過程中僅有規(guī)律運(yùn)算和查表運(yùn)算，因而，無論是從系統(tǒng)性能還是加/解密速度的角度來看，采用硬件實(shí)現(xiàn)都是一個(gè)理想的方案。

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，可編程規(guī)律器件由早期的只讀存貯器((PROM)發(fā)展到今天十分流行并廣泛應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA。FPGA具有體系結(jié)構(gòu)和規(guī)律單元靈活，集成度高以及實(shí)用范圍寬等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的電路，編程也很靈活，而且設(shè)計(jì)開發(fā)周期短，設(shè)計(jì)制造成本低，開發(fā)工具先進(jìn)，標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無需測(cè)試，質(zhì)量穩(wěn)定以及可實(shí)時(shí)在線檢驗(yàn)等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的原型設(shè)計(jì)和產(chǎn)品生產(chǎn)。

所以，應(yīng)用FPGA來設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)DES加密算法具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的應(yīng)用前景。本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于FPGA的DES加密系統(tǒng)。

概括起來，本文主要完成了以下幾方面的主要工作:1:完成了DES加密系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)包括DES加密核心模塊，UART通信接口模塊和BLOCKRAM存儲(chǔ)模塊。

2:以EITS2023開發(fā)板為硬件開發(fā)平臺(tái)，ISEwebpack為開發(fā)軟件，用Verilog硬件描述語言設(shè)計(jì)并且實(shí)現(xiàn)了三大模塊的具體功能及整體連接。

3:用PC，串口調(diào)試工具，UART通信接口和EITS2023開發(fā)板測(cè)試并驗(yàn)證了整個(gè)系統(tǒng)的功能。

4:探討了DES加密系統(tǒng)在軍事通信總站內(nèi)的應(yīng)用。

關(guān)鍵字:DES,FPGA,Verilog,UART,B1ockRAM,數(shù)據(jù)加密

ABSTRACT

Withthedevelopmentofinformationtechnology,theapplicationofcomputerhascomeintosocialanyfield.Especiallyinmilitaryfield,peoplerelyoninformationmoreseriously.Soinformationsecuritybecomesveryimportant.Encryptionasasortofpowerweaponiswidelyusedinthefieldofinformationsecurity.

DES(DataEncryptionStandard)encryptionarithmetichasstoodthelongtestfromwhenitbecametheencryptionstandardtonow.ItisprovedbymuchpracticethatthesecurityoftheDESencryptioncansatisfythevoluminousneedofsecurity.ImplementingtheDESarithmeticbysoftwarewillengrossmuchsystemresourceandmakethesystemfunctiondecline.ButtheDESarithmetichasnotmuchandcomplexmathematicscountandonlyhaslogicoperationandlook-up-tableoperation.So,thinkingfromthepointofsystemfunctionandspeedofencryptionanddecryption,implementingtheDESarithmeticbyhardwareisanidealproject.

Withthedevelopmentofmicro-electronictechnology,theprogrammablelogicdevicedevelopfromearlierROMtoverypopularandextensiveappliedFPGA(FieldProgrammableGateArray)today.TheFPGAhasthecharacteristicofflexiblesystemstructureandlogicunit,highIntegrationandwideapplication.Especially,theFPGAcancarryoutthemorelarge-scalecircuit,programmedflexibly.WhentheengineersusetheFPGAtodesignanddeveloptheproduct,thetimeisshort,thecostislow,thetoolisadvanced,thestandardproductdon'tneedtotest,thequalityissteadyandtheproductcanbeinspectedonline.So,theFPGAiswidelyusedtodesignandmakeproduct.

Therefore,usingtheFPGAtodesignandimplementtheDESencryptionarithmeticisveryimportantanditwillbewidelyusedinmuchfield.Themaincontributionsofthepaperareasfollow:

1:CompletedthewholedesignoftheDESencryptionsystem.ThewholesystemincludestheDESencryptioncoremodule,heUARTcommunicationinterfacemoduleandBlockRAMmemorymodule.2:UsedtheVeriloghardwaredesignlanguagetodesignandimplementthefunctionandthewholeconnectionofthethreemodulesbytheEITS2023asthehardwaredevelopmentflatroofandtheISEwebpackasthesoftwaredevelopmenttool.

3:UsedthePC,SCOMAssistant,theUARTcommunicationinterfaceandtheEITS2023developmentplatrooftotestandrerifythefunctionofthewholesystem.

4:DiscussedtheapplicationoftheDESencryptionsysteminthemilitarycommunicationstation.Keywords:DES,FPGA,Verilog,UART,BIockRAM，DataEncryption

摘要…………..………………..工ABSTRACT…………………..工工第一章緒論………………..………1

1.1DES的基本概念及特點(diǎn)…………….…..11.2基于FPGA的DES加密系統(tǒng)的研究背景，意義，及應(yīng)用前景………..11.2.1DES加密系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展………………...……..11.2.2PLD發(fā)展過程………………..…..11.3本文主要工作及章節(jié)安排……………21.3.1本文主要工作………………….……………..…..21.3.2章節(jié)安排……………………….…..2本章小結(jié)…………………..…..3其次章DES加密算法原理及系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境……………….……..42.1DES加密算法原理……………...………..42.1.1DES加密算法原理簡(jiǎn)介……………...…………..42.1.2初始序列變換IP………………….………………52.1.3加密函數(shù)f………………..……….………………62.1.4子密鑰生成………………..……..………………92.2系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境………………..………….………………112.2.1硬件開發(fā)平臺(tái)E工TS2023……………………..112.2.2軟件開發(fā)工具ISEWebPack……..……………..122.2.3硬件描述語言VerilogHDL………………….………..………..13本章小結(jié)…………………..…15第三章DES加密系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)……………………..………..163.1DES加密系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案………………..163.1.1DES加密核心設(shè)計(jì)方案………..163.1.2通信接口設(shè)計(jì)方案………….…..173.1.3BlockRAM存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)方案…………...……..183.1.4系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能…………………..….……183.2DES加密系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)………………...…193.2.1DES加密核心模塊的實(shí)現(xiàn)………..………...…..193.2.2UART通信接口模塊的實(shí)現(xiàn)………………..…..213.2.3B1ockRAM存儲(chǔ)模塊的實(shí)現(xiàn)………………….…………..……..223.2.4DES加密系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)結(jié)果………………….…………..……25本章小結(jié)…………………….………….……31第四章性能分析與功能驗(yàn)證………….…324.1性能分析………