基于TMS320VC5410 的DES 加密系統(tǒng)設(shè)計

　　數(shù)據(jù)加密是為了保證所傳輸信息的安全而在特定參數(shù)（稱為密鑰）的控制下按照某種規(guī)律對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行的人為擾亂， 將其轉(zhuǎn)換成秘密形式的信息。數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)（DataEncryption Standard， DES）是第一個廣泛應(yīng)用于商用數(shù)據(jù)保密的、公開的密碼算法，在其公布和正式實施后，成為許多國家政府、銀行和標(biāo)準(zhǔn)組織的信息安全處理標(biāo)準(zhǔn)。然而DES實現(xiàn)信息保密的前提是對于密鑰的有效管理， 這就要求基于DES 的加密系統(tǒng)必須提供可靠、方便的密鑰保存設(shè)備。同時在近20 年，DSP 處理器的性能得到很大改善， 軟件和開發(fā)工具也得到相應(yīng)發(fā)展， 價格大幅下降， 應(yīng)用也越來越廣泛。本文選用TI 公司TMS320VC54x 系列DSP，采用軟件方式實現(xiàn)DES 加密算法，同時以集成電路卡（Integrated CircuitCard）作為密鑰存儲設(shè)備。為了解決DSP 的通用IO 口較少的問題， 使DSP 片上的一些特殊功能引腳工作在通用輸入輸出引腳狀態(tài)顯得尤為重要。本文結(jié)合DSP 運算速度快、片上資源多的特點，研究并實現(xiàn)基于DSP 的DES 加密系統(tǒng)及其與IC 卡以及終端PC 機(jī)之間的通信協(xié)議。

　　1 DES 算法簡介：

　　DES 作為美國國家標(biāo)準(zhǔn)的加密算法， 既可用于加密又可用于解密。其加密過程主要分為3 個部分，如圖1 所示。

　　首先把輸入的數(shù)據(jù)比特流以每64 bit 為一組進(jìn)行分組得到明文x，之后是一個初始置換IP，記為x0=IP（x）=L0R0（L0代表左邊32 bit，R0代表右邊32 bit）；然后以每一組作為加密單元，在16 個子密鑰（每個子密鑰的長度為48 bit）的控制下根據(jù)下列規(guī)則計算LiRi（1≤i≤16），進(jìn)行16 輪的非線性變換：

　　每輪中都有換位和代替運算； 最后再經(jīng)過一個逆初始置換IP-1（為IP 的逆變換）輸出一組64 bit 長的密文。

　　對于數(shù)據(jù)較大的文件加密要求芯片具有很高的處理速度。出于保密通信系統(tǒng)的需求，該系統(tǒng)設(shè)計以IC 卡作為密鑰的存儲設(shè)備， 采用TI 公司TMS320VC54x 系列DSP 實現(xiàn)對來自PC 機(jī)的明文數(shù)據(jù)進(jìn)行DES 加密處理。該方案運算速度快、保密性好，具有很高的可擴(kuò)展性，用于保密的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，對來自數(shù)據(jù)采集模塊的信號進(jìn)行DES 加密后，傳輸給PC 機(jī)。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計：

　　結(jié)合運算速度，外設(shè)接口以及性價比等方面的考慮，選用TI 公司TMS320VC54x 系列16 位定點TMS320VC5410 型DSP 作為實現(xiàn)DES 加密的硬件平臺。它具有較低的功耗與杰出的性能， 時鐘最高頻率可以達(dá)到100 MHz。另外，TMS320VC5410 片上提供了3 個可以設(shè)置為GPIO 接口的多通道緩沖串口（McBSP），這對外圍設(shè)備接口子系統(tǒng)的設(shè)計至關(guān)重要。系統(tǒng)中除TMS320VC5410 基本的工作外圍電路如電源晶振模塊、Flash 模塊和JTAG 接口模塊以外，還主要包括以下2 部分：1）TMS320VC5410 與SLE5542 型IC 卡片的接口模塊，主要用于系統(tǒng)工作時IC 卡向DSP 傳送用于數(shù)據(jù)加密的密鑰和卡片存儲的其他一些用戶信息；2）DSP與PC 主機(jī)的通信接口模塊， 它是DSP 與個人電腦的通信接口， 主要用于DSP 接收明文數(shù)據(jù)以及將加密后的數(shù)據(jù)反饋至PC 機(jī)。

　　2.1 McBSP 簡介：

　　TMS320VC5410 片內(nèi)包含了3 個全雙工的多通道緩沖串口（Multichannel Buffered Serial Ports，McBSP）， 分別為McBSP0、McBSP1 和McBSP2。它們可以提供全雙工通信、連續(xù)數(shù)據(jù)流的雙緩沖數(shù)據(jù)寄存器、接收和發(fā)送獨立的幀和時鐘， 可以直接和系統(tǒng)中的其他器件接口連接并可以配置為通用IO 口。McBSP 與外設(shè)的數(shù)據(jù)交換，通過DX 引腳發(fā)送，RX 引腳接收。通信的時鐘與幀信號由CLKX、CLKR、FSX 及FSR 引腳來控制。TMS320VC5410 對McBSP 的控制由2 個16 bit 的串口控制寄存器（SPCR[1，2]） 和引腳控制寄存器（PCR） 來實現(xiàn)。DSP 的CPU 或DMA 從數(shù)據(jù)接收寄存器（DRR [1，2]） 讀取接收數(shù)據(jù)； 發(fā)送時， 向數(shù)據(jù)發(fā)送寄存器（DXR[1，2]）寫數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)寫入后通過傳輸移位寄存器（XSR[1，2]），移位輸出到DX 上。同樣，從DR 上接收的數(shù)據(jù)，移位存儲到接收移位寄存器（RSR[1，2]），并復(fù)制到接收緩存寄存器（RBR[1，2]）。然后，再由（RBR[1，2]）復(fù)制到DRR[1，2]。DRR[1，2]可以由CPU 或DMA 讀出。

　　2.2 DSP 與IC 卡連接模塊：

　　選用西門子公司SLE5542 型卡片， 其引腳定義和功能說明如表1 所示。它是一種按字節(jié)操作的多存儲器邏輯加密卡，應(yīng)答復(fù)位符合ISO7816-3 標(biāo)準(zhǔn)。該型卡片內(nèi)置了3 個存儲器：32 ×1 bit 的PROM 型保護(hù)存儲器、256 ×1 bit 的EEPROM 型主存儲器以及32×1 bit 的EEPROM 型加密存儲器。主存儲器可重復(fù)擦除使用，按字節(jié)操作，并分為保護(hù)數(shù)據(jù)區(qū)和應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)，讀出均不受限制，但應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)的擦除和寫入則受加密存儲器中的密碼及密碼計數(shù)器保護(hù)。

表1 SLE5542 引腳定義和功能說明

　　IC 卡連接電路如圖2 所示。

　　為了提高硬件的利用率和解決DSP 片上通用IO 口較少的問題， 本系統(tǒng)設(shè)計將McBSP1 配置為通過IO 口實現(xiàn)其與IC 卡片通信的模塊。由于McBSP 引腳中的DX 只能配置用作通用輸出腳，DR 只能配置用作通用輸入腳， 不方便程序編寫對引腳狀態(tài)控制。所以在DSP 對卡片讀寫的硬件電路中選擇了McBSP1 的FSR1、CLKR1、CLKX1、和FSX1 這4個引腳，它們均可以通過16 位的引腳控制寄存器（PCR）配置為通用I/O 引腳。FSR1 引腳通過CD4066 開關(guān)電源芯片來控制SLE5542 卡片的上電與掉電；由CLKR1 連接卡片的RST 觸點，卡片復(fù)位時改變引腳的高低電平狀態(tài)；CLKX1 引腳與IC 卡片的時鐘觸點CLK 相連，該引腳狀態(tài)的高低變化為卡片正常工作提供時鐘信號；FSX1 連接卡片數(shù)據(jù)I/O 觸點，負(fù)責(zé)DSP 與IC 卡片之間讀寫命令字和用戶有用數(shù)據(jù)的傳送。注意CLKX1 和FSX1 引腳要接上拉電阻，且FSX1 配置的輸入或輸出狀態(tài)要根據(jù)DSP 與IC 卡之間數(shù)據(jù)流向而定。

　　為了使McBSP1 的相關(guān)引腳工作在系統(tǒng)需求的通用I/O狀態(tài)， 首先需要將該串口的控制寄存器SPCR1 中的RRST位和SPCR2 中的XRST 位均設(shè)置為‘0’，使串口復(fù)位，串口操作禁止。然后設(shè)置引腳控制寄存器PCR 中的XIOEN 和RIOEN 為‘1’，使串口的接收和發(fā)送引腳均工作在通用I/O模式；另外將FSRM、CLKXM 和CLKRM 位均設(shè)置為‘1’，使FSR1、CLKX 和CLKR 引腳作為通用輸出管腳， 將要輸出的值分別存儲在PCR 中的FSRP 位、CLKXP 和CLKRP； 對于FSXM 位的設(shè)置，則需要根據(jù)通信時的具體情況而定。

　　2.3 DSP 與PC 通信模塊設(shè)計：

　　系統(tǒng)設(shè)計中選擇了McBSP0 作為TMS320VC5410 從外界PC 機(jī)接收明文數(shù)據(jù)和輸出密文的通道，直接通過PC 機(jī)的RS232 異步串口與TMS320VC5410 之間進(jìn)行加密解密數(shù)據(jù)的傳送。這種方法通過軟件實現(xiàn)PC 機(jī)與DSP 之間的串行雙工通信，它的硬件設(shè)計簡單且不會過多占用CPU 的時間，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。

　　RS232 異步串口采用負(fù)邏輯傳送數(shù)據(jù)， 以10 V 電壓狀態(tài)表示數(shù)據(jù)‘0’，-10 V 電壓狀態(tài)表示數(shù)據(jù)‘1’；而DSP 的IO口則以3.3 V 表示高電平‘1’狀態(tài)或者無數(shù)據(jù)傳送，以0 V表示低電平‘0’狀態(tài)。因此為了使TMS320VC5410 的多通道緩沖串口與RS232 接口進(jìn)行通信，需要電平轉(zhuǎn)換電路，本文使用了MAXIM 公司MAX232 電平轉(zhuǎn)換器，如圖3 所示。