基于TMS320VC5410 的DES 加密系统设计

出处：yangzq 发布于：2010-11-17 13:54:48

摘要：数据加密标准DES 是对称密码体系中应用广泛的算法之一。为了满足信息安全和加密型数据采集系统的密钥的有效存储，设计基于TMS320VC5410 系列DSP 和SLE5542 型IC 卡的DES 加密系统。采用McBSP1 接口与CD4066 开关电源设计了IC 卡读卡器，并通过CCS 开发环境编写、和调试应用程序，完成了DSP 与SLE5542 卡之间的ISO7816-3 通信协议。另外通过McBSP0 连接MAX232 电平转换器，以软件形式实现了目标板从RS232 接口接收来自PC 机的明文数据，系统对其进行DES 加密后输出密文。实验结果表明系统可以正确读取IC 卡中的64 位密钥，完成数据加密后准确地显示在接收端，符合设计要求。

　　数据加密是为了保证所传输信息的安全而在特定参数（称为密钥）的控制下按照某种规律对原始数据进行的人为扰乱，将其转换成秘密形式的信息。数据加密标准（DataEncryption Standard， DES）是个广泛应用于商用数据保密的、公开的密码算法，在其公布和正式实施后，成为许多国家政府、银行和标准组织的信息安全处理标准。然而DES实现信息保密的前提是对于密钥的有效管理，这就要求基于DES 的加密系统必须提供可靠、方便的密钥保存设备。同时在近20 年，DSP 处理器的性能得到很大改善，软件和开发工具也得到相应发展，价格大幅下降，应用也越来越广泛。本文选用TI 公司TMS320VC54x 系列DSP，采用软件方式实现DES 加密算法，同时以集成电路卡（Integrated CircuitCard）作为密钥存储设备。为了解决DSP 的通用IO 口较少的问题，使DSP 片上的一些特殊功能引脚工作在通用输入输出引脚状态显得尤为重要。本文结合DSP 运算速度快、片上资源多的特点，研究并实现基于DSP 的DES 加密系统及其与IC 卡以及终端PC 机之间的通信协议。

　　1 DES 算法简介：

　　DES 作为美国国家标准的加密算法，既可用于加密又可用于解密。其加密过程主要分为3 个部分，如图1 所示。

　　首先把输入的数据比特流以每64 bit 为一组进行分组得到明文x，之后是一个初始置换IP，记为x0=IP（x）=L0R0（L0代表左边32 bit，R0代表右边32 bit）；然后以每一组作为加密单元，在16 个子密钥（每个子密钥的长度为48 bit）的控制下根据下列规则计算LiRi（1≤i≤16），进行16 轮的非线性变换：

　　每轮中都有换位和代替运算；再经过一个逆初始置换IP-1（为IP 的逆变换）输出一组64 bit 长的密文。

　　对于数据较大的文件加密要求芯片具有很高的处理速度。出于保密通信系统的需求，该系统设计以IC 卡作为密钥的存储设备，采用TI 公司TMS320VC54x 系列DSP 实现对来自PC 机的明文数据进行DES 加密处理。该方案运算速度快、保密性好，具有很高的可扩展性，用于保密的数据采集系统中，对来自数据采集模块的信号进行DES 加密后，传输给PC 机。

　　2 系统硬件设计：

　　结合运算速度，外设接口以及性价比等方面的考虑，选用TI 公司TMS320VC54x 系列16 位定点TMS320VC5410 型DSP 作为实现DES 加密的硬件平台。它具有较低的功耗与杰出的性能，时钟频率可以达到100 MHz。另外，TMS320VC5410 片上提供了3 个可以设置为GPIO 接口的多通道缓冲串口（McBSP），这对外围设备接口子系统的设计至关重要。系统中除TMS320VC5410 基本的工作外围电路如电源晶振模块、Flash 模块和JTAG 接口模块以外，还主要包括以下2 部分：1）TMS320VC5410 与SLE5542 型IC 卡片的接口模块，主要用于系统工作时IC 卡向DSP 传送用于数据加密的密钥和卡片存储的其他一些用户信息；2）DSP与PC 主机的通信接口模块，它是DSP 与个人电脑的通信接口，主要用于DSP 接收明文数据以及将加密后的数据反馈至PC 机。

　　2.1 McBSP 简介：

　　TMS320VC5410 片内包含了3 个全双工的多通道缓冲串口（Multichannel Buffered Serial Ports，McBSP），分别为McBSP0、McBSP1 和McBSP2。它们可以提供全双工通信、连续数据流的双缓冲数据寄存器、接收和发送独立的帧和时钟，可以直接和系统中的其他器件接口连接并可以配置为通用IO 口。McBSP 与外设的数据交换，通过DX 引脚发送，RX 引脚接收。通信的时钟与帧信号由CLKX、CLKR、FSX 及FSR 引脚来控制。TMS320VC5410 对McBSP 的控制由2 个16 bit 的串口控制寄存器（SPCR[1，2]）和引脚控制寄存器（PCR）来实现。DSP 的CPU 或DMA 从数据接收寄存器（DRR [1，2]）读取接收数据；发送时，向数据发送寄存器（DXR[1，2]）写数据，数据写入后通过传输移位寄存器（XSR[1，2]），移位输出到DX 上。同样，从DR 上接收的数据，移位存储到接收移位寄存器（RSR[1，2]），并复制到接收缓存寄存器（RBR[1，2]）。然后，再由（RBR[1，2]）复制到DRR[1，2]。DRR[1，2]可以由CPU 或DMA 读出。

　　2.2 DSP 与IC 卡连接模块：

　　选用西门子公司SLE5542 型卡片，其引脚定义和功能说明如表1 所示。它是一种按字节操作的多存储器逻辑加密卡，应答复位符合ISO7816-3 标准。该型卡片内置了3 个存储器：32 ×1 bit 的PROM 型保护存储器、256 ×1 bit 的EEPROM 型主存储器以及32×1 bit 的EEPROM 型加密存储器。主存储器可重复擦除使用，按字节操作，并分为保护数据区和应用数据区，读出均不受限制，但应用数据区的擦除和写入则受加密存储器中的密码及密码计数器保护。

表1 SLE5542 引脚定义和功能说明

　　IC 卡连接电路如图2 所示。

　　为了提高硬件的利用率和解决DSP 片上通用IO 口较少的问题，本系统设计将McBSP1 配置为通过IO 口实现其与IC 卡片通信的模块。由于McBSP 引脚中的DX 只能配置用作通用输出脚，DR 只能配置用作通用输入脚，不方便程序编写对引脚状态控制。所以在DSP 对卡片读写的硬件电路中选择了McBSP1 的FSR1、CLKR1、CLKX1、和FSX1 这4个引脚，它们均可以通过16 位的引脚控制寄存器（PCR）配置为通用I/O 引脚。FSR1 引脚通过CD4066 开关电源芯片来控制SLE5542 卡片的上电与掉电；由CLKR1 连接卡片的RST 触点，卡片复位时改变引脚的高低电平状态；CLKX1 引脚与IC 卡片的时钟触点CLK 相连，该引脚状态的高低变化为卡片正常工作提供时钟信号；FSX1 连接卡片数据I/O 触点，负责DSP 与IC 卡片之间读写命令字和用户有用数据的传送。注意CLKX1 和FSX1 引脚要接上拉电阻，且FSX1 配置的输入或输出状态要根据DSP 与IC 卡之间数据流向而定。

　　为了使McBSP1 的相关引脚工作在系统需求的通用I/O状态，首先需要将该串口的控制寄存器SPCR1 中的RRST位和SPCR2 中的XRST 位均设置为‘0’，使串口复位，串口操作禁止。然后设置引脚控制寄存器PCR 中的XIOEN 和RIOEN 为‘1’，使串口的接收和发送引脚均工作在通用I/O模式；另外将FSRM、CLKXM 和CLKRM 位均设置为‘1’，使FSR1、CLKX 和CLKR 引脚作为通用输出管脚，将要输出的值分别存储在PCR 中的FSRP 位、CLKXP 和CLKRP；对于FSXM 位的设置，则需要根据通信时的具体情况而定。

　　2.3 DSP 与PC 通信模块设计：

　　系统设计中选择了McBSP0 作为TMS320VC5410 从外界PC 机接收明文数据和输出密文的通道，直接通过PC 机的RS232 异步串口与TMS320VC5410 之间进行加密解密数据的传送。这种方法通过软件实现PC 机与DSP 之间的串行双工通信，它的硬件设计简单且不会过多占用CPU 的时间，可以实现数据的高速传输。

　　RS232 异步串口采用负逻辑传送数据，以10 V 电压状态表示数据‘0’，-10 V 电压状态表示数据‘1’；而DSP 的IO口则以3.3 V 表示高电平‘1’状态或者无数据传送，以0 V表示低电平‘0’状态。因此为了使TMS320VC5410 的多通道缓冲串口与RS232 接口进行通信，需要电平转换电路，本文使用了MAXIM 公司MAX232 电平转换器，如图3 所示。

　　3 系统软件设计：

　　选用TI 公司CCS（Code Composer Studio）作为该加密系统软件设计时的开发和调试工具，使用C 语言和汇编混合编程的模式完成软件设计。由于C 语言编程具有便于阅读、维护、交流和可移植性好的特点，因此采用C 语言完成整个程序的主框架设计，在对时间要求比较苛刻的地方或对代码运行效率有较大影响的场合采用汇编指令编写。

　　3.1 DSP 读IC 卡软件实现：

　　3.1.1 McBSP1 串口配置：

　　当把卡片插入卡座时，状态开关选通，并且电路板上提示灯亮表示插卡到位，DSP 内存中的读卡状态标志位设置为‘1’。TMS320VC5410 开始初始化McBSP1，使其工作在通用IO 口状态，采用子地址寻址的方式对SPCR11（映射地址为0049h，子地址为00h）、SPCR12（子地址为01h）和PCR1（子地址为0Eh）等寄存器进行配置。配置代码如下：

　　SPCR11＝0x0000；

　　SPCR12＝0x0000；

　　PCR1=0x3F00；

　　此时FSR1、FSX1、CLKR1 和CLKX1 均用作通用输出管脚。把PCR 中的FSRP 位设置为‘0’，PCR1&= 0xFFFB；则卡片VCC触点电平为低，卡片处于掉电状态；通过语句PCR1|= 0x0004 把FSR1 引脚置高电平给卡片上电。

　　由于DSP 的FSX1 引脚与卡片的数据I/O 触点相连，要求FSX1 引脚具有双向传输的功能，但该引脚在同一时刻只能处于输入或输出一种状态，为此定义了以下两个宏实现引脚在输入与输出状态的改变。

　　#define set_IOout （） SPSA1=PCR1；SPSD1|=0x0800；FSX1 引脚处于输出状态

　　#define set_IOin （） SPSA1=PCR1；SPSD1&=0xF7FF；FSX1 引脚处于输入状态

　　3.1.2 复位与复位应答：

　　DSP 检测到读卡状态位为‘1’时，给卡片上电，CLK 和RST 保留于状态L，开始运行读卡程序将卡中存储的密钥读取至内存中。首先按照ISO7816-3 标准对SLE5542 卡片进行应答复位，复位可以发生在操作过程的任意时刻。之后，RST 线被置于H 状态，并维持至少15 μs。在RST 状态由高电平到低电平的转换期间CLK 提供一个时钟脉冲，卡片内的地址计数器（address counter）清零，I/O 引脚输出有效数据的第1 位，这一数据可视为复位应答[5]；在此后连续31 个时钟脉冲的作用下，主存储器中的前4 个地址中的32 位标头数据被读出；下一个时钟脉冲使I/O 引脚变为高阻状态，此时卡片复位与复位应答完成。

　　3.1.3 DSP 读卡主程序设计：

　　图4 为DSP 读IC 卡主程序设计。卡片复位应答之后，则处于等待指令输入的状态。SLE5542 每个指令均由控制字节、地址字节和数据字节组成，传输时从控制字节的位开始。控制字节传送完毕之后，依次传送地址字节和数据字节，均为低位在前。每个指令的传输都开始于一个Start条件（在时钟信号为高电平状态，通过DSP 发送卡片IO 口一个下降沿），结束于Stop 条件（在时钟信号为高电平状态，通过DSP 发送卡片IO 口一个上升沿）。根据指令作用的不同，SLE5542 接收完成后可能处于数据输出模式（DSP 读卡）或者内部处理模式（DSP 写卡）。

　　通过TMS320VC5410 发送读卡命令和所要读取内容的地址（N＝0，…，255）后，在CLK 信号的作用下卡片将主存储器中的数据按比特移至I/O 引脚发送至DSP 内存中。读取数据完成后，额外的一个时钟信号将使I/O 引脚变为高阻状态，卡片退出输出模式等待接收新的指令，也可以用Break条件（在CLK 为低时，把RST 信号由低电平变为高电平状态）结束此次操作。

　　图5 显示了TMS320VC5410 对SLE5542 卡片读卡程序的调试结果，为了验证读卡功能的实现，系统读取了卡片中的所有字节的内容。其中前8 个字节为‘A2131091FFFF8115’ 为IC 卡的厂商标识；之后地址8～20的13 个字节全为‘FF’是写保护区；地址21～26 是6 个字节的用户代码‘D27600000400’，之后又是5 个字节的写保护区；从地址32～255 之间的数据是用户数据区，可以在这些地址里存放加密系统的密钥和其他的用户信息。

　　3.2 PC 通信软件设计：

　　3.2.1 McBSP0 的初始化配置：

　　首先通过SPCR10=0x0000，SPCR20=0x0000 把RRST 与XRST 位设置为‘0’，使串口复位。设置PCR0=0x0B0C；采样率由DSP 内部产生，接收与发送帧同步信号为低有效，时钟上升沿发送数据、下降沿接收数据。其次通过接收控制寄存器RCR10 （子地址为02h）和RCR20 （子地址为03h）来对DSP 串口接收模式进行设置，令RCR10＝0x0940；RCR20=0x0004；接收帧长度10 字、每字16 bit，忽略除个帧同步后的其他帧同步信号。通过传输控制寄存器XCR10（子地址为04h）和XCR20（子地址为05h）来对DSP 串口发送模式进行设置，令XCR10=0x0940；XCR20＝0x0004；使数据的发送与接收模式一致。另外，采样率发生器控制寄存器SRGR10（子地址为06h）和SRGR20（子地址为07h）控制采用率发生器的工作模式。本系统中选择PC 机的串口工作波特率为38 400，采样率发生器计算公式为：

　　CLKGDV=CPU 工作频率/（16×波特率）-1

　　由于TMS320VC5410 工作频率为100 MHz，因此CLKGDV=100 000 000/（16×38 400）-1=161，设置SRGR1＝0x00A1，SRGR2＝0x2000；通过SPCR1＝0x0001，SRGR2＝0x2000；对串口使能，处于可操作状态，至此完成了McBSP0的初始化配置。

　　3.2.2 数据格式的统一

　　DSP 通过McBSP0 接收外界PC 机数据采用中断方式。

　　这里为了实现TMS320VC5410 同步串口与PC 机异步串口通信时数据格式的统一，把McBSP 的1 个16 位字等效为PC 机串口传送的1 个8N1 模式数据（1 个起始位+8 个数据位+1 个停止位）的1 位。PC 机串口每发送1 个位的数据，DSP 采样16 次暂存数据接收寄存器DRR10 （地址为21h）中。例如PC 机通过RS232 串口传送数据为‘1’，则DRR10经过16 次采用后接收一个字的数据为‘FFFFh’，同理若前者后‘0’，则后者为‘0000h’。之后触发McBSP0 串口接收中断，DSP 执行中断服务程序将DRR10 中的有效数据（除去起始位和停止位）取走至内存中，并对计数器加1。当接收到一个完整的帧后，DSP 置串口数据解码标志位为‘1’，DSP开始运行解码程序，将‘FFFFh’和‘0000h’分别等效为一个比特位‘1’和‘0’，从而恢复出原始的数据帧。

　　当DSP 对接收到的数据完成加密之后需要反馈输出，TMS320VC5410 串口数据向PC 机发送的过程与数据接收的过程正好相反。每帧数据都需要进行串口编码之后通过数据发送寄存器DXR10（地址为23h）发出。即把8 位有效数据中的‘0’编码为‘0000h’，‘1’编码为‘FFFFh’，按照从低位到高位的顺序重新排列编码后的数据，并在帧首和帧尾分别添加起始位‘0000h’和结束位‘FFFFh’，将每组10 个数据作为一帧信号发出。

　　图6 显示了本文设计的加密系统的实验结果。通过PC机和RS-232 串口发送字符‘11112222’ 的十六进制形式为‘3131313132323232’共64 bit，TMS320VC5410 接收到64 bit明文数据后，通过读取IC 卡中的64 bit 密钥‘3100000000000031’并对明文进行DES 加密后，输出密文的十六进制形式为‘9*66D*DE9A2D’。结果显示系统工作稳定可靠，符合设计要求。