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1、上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文AES加密算法IP核的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證姓名：劉晗嘉申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士專業(yè)：電路與系統(tǒng)指導(dǎo)教師：周玉潔20090101上海交通大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文摘要AES加密算法IP核的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證摘要美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)局（NIST）于2001年發(fā)布高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（AES），用來取代DES，從而成為廣泛使用的對(duì)稱分組加密標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)AES的硬件實(shí)現(xiàn)人們做了許多有意義的研究工作，有的著力于采用流水線結(jié)構(gòu)提高吞吐率，有的著力于低成本和低功耗的實(shí)現(xiàn)。本文針對(duì)手持設(shè)備和移動(dòng)終端場(chǎng)合下的應(yīng)用需求設(shè)計(jì)出一款完全遵循標(biāo)準(zhǔn)的AES加密算法IP核，在
2、面積與性能之間取得良好折中。為了減小硬件的面積，本文提出一種等價(jià)加密算法，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一種32位帶寬的數(shù)據(jù)通路，使加密與解密之間、輪函數(shù)與密鑰擴(kuò)展之間實(shí)現(xiàn)模塊級(jí)的資源共享，同時(shí)減少運(yùn)算單元的數(shù)量。利用復(fù)合域運(yùn)算的特點(diǎn)，基于組合邏輯設(shè)計(jì)一種小面積的合并的Sbox。研究MixColumn及其逆變換的不同因子分解方法，提出一種在數(shù)據(jù)通路中共同使用的方案。公共子表達(dá)式消除技術(shù)被廣泛應(yīng)用于邏輯優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)了比特級(jí)的資源共享。為支持128、192和256位不同密鑰長(zhǎng)度的加密和解密運(yùn)算，本文還設(shè)計(jì)了一種可配置的實(shí)時(shí)密鑰擴(kuò)展結(jié)構(gòu)，利用密
3、鑰緩存機(jī)制平衡加解密吞吐率。根據(jù)可重用的設(shè)計(jì)要求，為IP設(shè)計(jì)了通用接口，并在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程中進(jìn)行了充分的功能和時(shí)序驗(yàn)證。最終基于SMIC0.18μm工藝的AESIP核的面積只有22.6k門，100MHz工作頻率下AES-128加解密的吞吐率達(dá)188Mbps。關(guān)鍵詞：高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)，知識(shí)產(chǎn)權(quán)核，有限域第I頁上海交通大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文ABSTRACTDESIGNANDVERIFICATIONOFAESENCRYPTIONIPCOREABSTRACTTheAdvancedEncryptionStandard(AES)issuedbyt
4、heNational
InstituteofStandardsandTechnology(NIST)oftheUSAin2001,is
supposedtoreplaceDES,andhasbecomethenewwidely-usedsymmetric
blockcipherstandard.Alotofeffortshavebeenmadeonthevarious
hardwareimplementationsoftheAESalgorithm.Someofthemfocuson
achievingextremelyhig
5、hthroughputbyusingpipelinearchitecture,while
othersfocusondesigninglow-costandlow-powerdevices.Giventhespecific
requirementofportabledevicesandmobileterminals,thethesispresentsa
strictlycompliantAESIPwithanacceptabletrade-offbetweenareaand
performance.Inordertoreduc
6、ethearea,anequivalentencryptionstructureis
proposed,anda32-bitdatapathisdevelopedbysharingoperationblocks
betweenencryptionanddecryptionaswellasbetweenroundfunctionandkey
expansion.ByintroducingcompositefieldsSboxescanbeefficiently
implementedwithcombinationallogic.
7、Twoapproachesoffactoringof
MixColumnanditsinverseareexplored.Bit-levelresourcesharingisfully
employedbyusingcommonsubexpressionelimination.Thesuggested
reconfigurablearchitectureofkeyscheduleriscapableofperformingforward
keyexpansionforencryptionandreversekeyexpansi
8、onfordecryptioninan
on-the-flywayforallthethreedifferentkeylengths.TheAESIPisdeveloped
withauniversalinterfaceandcanbeeasilyintegratedinto
