基于DSP的PC加密卡没计方案

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在本文中，基于TI公司研发的高性能DSP如果应用在PC加密卡中，不失为一种有效的保密方法。

　　作为一种有效的网络安全解决方案，加密卡应当具有的功能如下：

　　(1)使用密码算法对数据进行加密和解密，密码算法应当多种多样以便更换、定期升级解决硬件难以变动的缺点，减少用户投资。
　　(2)应保护存储证书、密钥以及重要的数据，主密钥及重要的密钥应受到额外的保护，这种保护强度应超过其他通常的软件。
　　(3)与主机、外围设备和系统软件有一个良好的接口，使用户还有研发升级软件的空间。

　　这些功能决定了PC加密卡的设计和目标的基本结构。

　　1 PC加密卡的基本结构

　　本文介绍的PC加密卡主要由DSP芯片、计算机总线接口(PCI)、板上的FLASH ROM、随机数生成模块和外部设备接口等组成。TI全新DSP TM S320C6x系列功能强，速度非常快，但价格过高，不适合应用于一般的加密和解密。中等性能的TMS320C54x系列，成本低，产品成熟，是一个更好的选择。在本文中的PC加密卡以TMS320C54x DSP为主CPU来实现加密算法的运算，很大程度上减轻了计算机CPU的计算负担，提高整体运算速度。又因为系列DSP产品具有HPI接口，因此可以很容易地实现DSP与PCI总线之问的连接。所以该加密卡就需要在PCI总线平台上开发实现。

　　为了减少产品的开发时间和成本，以及获得更好的数据传输性能，通常使用通用PCI接口芯片。考虑到TMS320C54x 3.3 V低电压的运行环境与未来DSP的发展方向，PLX公司的PCI9054芯片是最好的选择。其两者的外围信号都是3.3 V电压。

　　另外采用FLASH ROM作为外部储存介质，存储所有的加密算法、主控程序和密钥管理程序，构成与DSP之间的密码算法运算和重要数据的存储平台。具体使用AMD公司512 KB的29LV040，选择此规格的原因：第一符合3.3 V的运行环境;第二除了存储程序外，依据容量还可存放数千个1 024 b的公钥或密钥，满足了更多通信系统安全的需要。图1是加密卡的基本框图。

　　
　　2 PC加密卡的设计

　　虽然现在PC机的CPU运行速度越来越快，但加密和解密是一个极为复杂的过程，需要大量的科学计算霸占CPU的时间，这样会使CPU运行负荷，从而导致计算机系统的性能下降，其他方面工作的处理能力也会变得极为缓慢。而PC加密卡是一种专为加密和解密设计的硬件，配备专业的DSP信号处理芯片来专一地进行加解密的科学计算，分担了CPU的处理运算强度，提高了加解密的速度和PC的性能。C54x系列的DSP芯片目前拥有主频高达500 MHz或以上超快速度，计算能力也可以实现200 MIPS的水平，并且有望进一步提高，使用C54x系列产品的另一个优势是它们采用同一套指令集，这就意味着有很好的软件兼容性，无需反复更新。

　　加密卡能够成功实现就依赖与上述各模块之间的协调工作。当系统启动时，DSP与FLASH ROM之间构成密码算法运算和重要数据存储的平台，DSP从FLASH ROM中调入预先设定好的加密算法和主控程序，并接收主机送来的指令和数据，由主控程序调入相应的加密算法程序，对数据进行加密或解密处理后，最终的数据由主机通过PCI接口芯片读出。

　　3 加密卡的功能描述

　　本PC加密卡所实现的主要功能有：

　　数据加密解密功能 这是PC加密卡所具有的最基本的功能。加密卡目前封装了DES，AES等对称加密算法，RSA等非对称公钥算法，以及MD5等Hash算法。DES是使用最广泛的密钥系统，特别是用在保护金融数据的安全中，该加密算法具有应用广、速度快的优点。AES作为新一代的数据加密标准，汇聚了强安全性、高性能、高效率、易用和灵活等优点，具有良好的应用前景。而MD5作为Hash算法，特点在于它是一种单向算法，用户可以通过Hash算法对目标信息生成一段特定长度的惟一的Hash值，却不能通过这个Hash值重新获得目标信。因此Hash算法常用在不可还原的密码存储、信息完整性校验等。

　　数字签名与认证功能 主要利用RSA算法模块来实现。它是第一个既能用于数据加密也能用于数字签名的算法，易于理解和操作，也很流行。RSA是目前最有影响力的公钥加密算法，能够抵抗到目前为止已知的所有密码攻击，已被ISO推荐为公钥数据加密标准。经历了各种攻击，至今未被完全攻破。该算法特别适合在商业和金融业中的应用，为满足多方面的要求，在卡中实现了签名和认证功能。

　　密钥管理功能 密钥是加密与解密的核心，密钥的产生、保存、分配、修改与删除必须有一个完善的管理体系。而加密卡中的随机数生成模块便是完成这项任务的关键。该模块可以利用物理噪声源产生一个真正的随机数，这就保证了一切密钥都是在加密卡内部完成的，并且都是通过加密卡加密后才与外部进行交换。外界软件和系统只能得到其中的公钥，而无法得到私钥的任何信息，保证密钥的安全。

4 PCI9054简介

　　本文设计的PC加密卡，对接口芯片PCI9054的理解，涉及到产品的成败，下面对PCI9054的结构和功能进行简要的介绍。

　　PCI9054是美国PLX公司生产的一种功能强、灵活性大，并且符合PCI V2.2规范的32位33 MHz总线接口控制器，它的出现使原本复杂化的PIC接口应用设计变得简单明了，成为目前使用最广泛的PCI接口芯片之一，能够轻松实现TMS320C54x系列DSP的HPI接口与PCI总线之间的无缝连接。作为PCI目标设备，其传输速率最高可达132 MB/s。图2显示了PCI9054的内部结构框图。

　　
　　从整体看，PCI9054共提供了三个对外接口：PCI总线接口、LLOCAL总线接口和E2PROM接口。PCI9054可看做是一种“桥接”芯片，完成DSP与PC之间数据和信息传递。另外，PCI9054具有可选的串行E2PROM接口，用来存放配置信息，完成启动时9054板卡的“热插拔”功能。

　　PCI9054内部有6个FIFO，分别作为三种数据传输模式的读/写数据通道，这些FIFO最主要的作用是使LOCAL总线与PCI总线的操作相互独立完成，以及使PCI9054拥有零等待突发传输的能力。也是实现PCI9054同步的LOCAL总线与C54x异步的HPI接口之间信号逻辑转换的必备元素。LOCAL总线工作速率最高可达50MHz。

　　4.1 PCI9054配置寄存器

　　PCI9054有5个内部寄存器：PCI配置寄存器、本地配置寄存器、运行寄存器、DMA寄存器组、消息队列寄存器等，是非常繁琐和复杂的。要想成功完成PCI9054的控制，就需要很好地理解与控制一些关键的寄存器。图3为PCI9O54配置寄存器的信息。

　　PCI9054提供了一个256 B支持即插即用功能的兼容PCI标准配置空间。PCI9054的配置寄存器配置的读取和写入，通常通过BIOS支持的PCI总线的中断调用来实现。BIOS中断调用，获取总线和单元号，进行配置的读写;配置HPI CSR的基址寄存器，以访问HPICSR的地址;配置控制空间基地址寄存器，配置命令寄存器生产相应对的PCI周期。

　　4.2 PCI9054与DSP之间的传输过程

　　当PCI9054配置成功后，便可通过DSP芯片的HPI接口进行PC与DSP之间的数据传输。步骤如下：首先清除HPI的复位寄存器，PCI9054解析由PCI总线传来的新地址匹配控制空间寄存器的值，选取将要通信的DSP芯片。接着主机发起HPI控制寄存器的BOB和HWOB位，选择正确的字节定位，主机加载HPI地址寄存器，DSP便完成了一次完整的HPI存储器的访问，数据被放置在HPI数据寄存器里，最后主机从HPI数据寄存器里读写数据。由此便完成了PC与DSP之间数据的传输。

　　5 结语

　　本文介绍了一种新型基于DSP技术上的PC加密卡没计方案及原理，具有成本低、性能高、操作简便等特点，是抵抗网络信息危险与黑客窃密的有力武器，由于其各方面性价比的优势，适用于个人、企业、军队等广泛领域，是保证信息安全必不可少的元素，具有广阔的应用前景。