基于TMS320VC5410的DES加密系统设计

发布: 2010-12-26 01:19 | 作者: 於辉，石涛，赵旭东 | 来源: | 字体: 小中大

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摘要：数据加密标准DES是对称密码体系中应用最广泛的算法之一。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MeBSPl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、下栽和调试应用程序，完成了DSP与SLE5542卡之间的IS07816-3通信协议。另外通过McBSPO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。

关键词：数据加密标准(DES)；TMS320VC5410；加密；SIE5542

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 (Data Encrvption Standard，DES)是第一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 Circuit Card)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Xo=IP(x)=LoRo(Lo代表左边32 bit，Ro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；最后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，时钟最高频率可以达到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JT-AG接口模块以外，还主要包括以下2部分：1)TMS320VC541O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、McBSPI和McB-SP2。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。T-MS320VC5410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ISO78 16-3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32x1 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。