淺談dsp技術(shù)論文

　　DSP是一種獨(dú)特的微處理器，以數(shù)字信號(hào)來(lái)處理大量信息的器件。小編整理了淺談dsp技術(shù)論文，歡迎閱讀!

　　淺談dsp技術(shù)論文篇一

　　DSP技術(shù)在PC加密卡中的應(yīng)用

　　摘 要：隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，相關(guān)的安全與保密已成為人們?cè)絹?lái)越關(guān)注的話題，針對(duì)市場(chǎng)需求與目前軟件和硬件實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與信息安全的區(qū)別，為了使PC加密卡達(dá)到低成本、高效率的目的，設(shè)計(jì)了一種采用DSP技術(shù)的PC加密卡，通過(guò)對(duì)該卡原理上的分析，提出了一種運(yùn)用TMS320C54x系列DSP芯片與PCI9054接口芯片共同實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)加密卡的設(shè)計(jì)方案。

　　關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)安全; 加密算法; DSP; PCI總線

　　中圖分類號(hào)：

　　TN911.7-34

　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

　　文章編號(hào)：1004-373X(2012)05

　　-0110

　　-04

　　Application of DSP in encryption card of PC

　　BIAN Dong-liang, CHEN Chang-xing, PENG Sha-sha, WANG Bo

　　(Science College, Air Force Engineering University, Xi’an 710051, China)

　　Abstract：

　　With the development of network, the security and secrecy in allusion to it have been the topics attracting more and more attentions. According to the demand of nowadays market and the distinction of software and hardware in the net and information achievement, and to achieve an effect of lessening the worth, an encryption card of PC based on DSP is designed. Through analyzing the design principle, an encryption card composed of the DSP of TMS320C54x and PCI9054 interface chip is proposed.

　　Keywords： security; encryption arithmetic; DSP; PCI Bus

　　收稿日期：2011-11-15

　　基金項(xiàng)目：軍內(nèi)武器系統(tǒng)科研項(xiàng)目(KJ2010182);陜西省電子信息系統(tǒng)綜合集成重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目(201107Y16)

　　0 引 言

　　隨著Internet/Intranet的迅速發(fā)展和普及，網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的直接和潛在的危險(xiǎn)也在逐步增強(qiáng)，就如何確保網(wǎng)絡(luò)信息的安全已成為人們?cè)絹?lái)越關(guān)注的焦點(diǎn)，個(gè)人和企業(yè)對(duì)業(yè)務(wù)的安全需求日益迫切，首當(dāng)其沖的是軍隊(duì)信息在網(wǎng)絡(luò)上的失泄密問(wèn)題已造成的嚴(yán)重后果將直接關(guān)系到國(guó)家的安全與穩(wěn)定。所以對(duì)各種安全防護(hù)措施與保密技術(shù)的要求越來(lái)越高，而密碼技術(shù)作為一項(xiàng)有效解決網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題的手段得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。如果網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)男畔⒑拖到y(tǒng)信息能夠以加密的方式處理，將在很大程度上提高網(wǎng)絡(luò)和信息的安全。然而，由于個(gè)人或一般辦公室使用的都是低成本的PC電腦很難配備價(jià)格高昂的加密機(jī)，使用安全軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)加密和解密，雖然價(jià)格實(shí)惠，但對(duì)系統(tǒng)性能有極大的影響，也容易被黑客通過(guò)技術(shù)手段突破，此外，在安全程度與強(qiáng)度上也是與專門設(shè)計(jì)的硬件加密能力不能相比擬的。所以廣大的網(wǎng)民尤其是經(jīng)常處理涉密事件的單位與個(gè)人急需一種低成本、高性能的加密和解密的方案。在本文中，基于TI公司研發(fā)的高性能DSP如果應(yīng)用在PC加密卡中，不失為一種有效的保密方法。

　　作為一種有效的網(wǎng)絡(luò)安全解決方案，加密卡應(yīng)當(dāng)具有的功能如下：

　　(1) 使用密碼算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密，密碼算法應(yīng)當(dāng)多種多樣以便更換、定期升級(jí)解決硬件難以變動(dòng)的缺點(diǎn)，減少用戶投資。

　　(2) 應(yīng)保護(hù)存儲(chǔ)證書、密鑰以及重要的數(shù)據(jù)，主密鑰及重要的密鑰應(yīng)受到額外的保護(hù)，這種保護(hù)強(qiáng)度應(yīng)超過(guò)其他通常的軟件。

　　(3) 與主機(jī)、外圍設(shè)備和系統(tǒng)軟件有一個(gè)良好的接口，使用戶還有研發(fā)升級(jí)軟件的空間。

　　這些功能決定了PC加密卡的設(shè)計(jì)和目標(biāo)的基本結(jié)構(gòu)。

　　1 PC加密卡的基本結(jié)構(gòu)

　　本文介紹的PC加密卡主要由DSP芯片、計(jì)算機(jī)總線接口(PCI)、板上的FLASH ROM、隨機(jī)數(shù)生成模塊和外部設(shè)備接口等組成。TI全新DSP TMS320C6x系列功能強(qiáng)，速度非常快，但價(jià)格過(guò)高，不適合應(yīng)用于一般的加密和解密。中等性能的TMS320C54x系列，成本低，產(chǎn)品成熟，是一個(gè)更好的選擇。在本文中的PC加密卡以TMS320C54x DSP為主CPU來(lái)實(shí)現(xiàn)加密算法的運(yùn)算，很大程度上減輕了計(jì)算機(jī)CPU的計(jì)算負(fù)擔(dān)，提高整體運(yùn)算速度。又因?yàn)橄盗蠨SP產(chǎn)品具有HPI接口，因此可以很容易地實(shí)現(xiàn)DSP與PCI總線之間的連接。 所以該加密卡就需要在PCI總線平臺(tái)上開發(fā)實(shí)現(xiàn)。

　　為了減少產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間和成本，以及獲得更好的數(shù)據(jù)傳輸性能，通常使用通用PCI接口芯片。考慮到TMS320C54x 3.3 V低電壓的運(yùn)行環(huán)境與未來(lái)DSP的發(fā)展方向，PLX公司的PCI9054芯片是最好的選擇。其兩者的外圍信號(hào)都是3.3 V電壓。

　　另外采用FLASH ROM作為外部?jī)?chǔ)存介質(zhì)，存儲(chǔ)所有的加密算法、主控程序和密鑰管理程序，構(gòu)成與DSP之間的密碼算法運(yùn)算和重要數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)平臺(tái)。具體使用AMD公司512 KB的29LV040，選擇此規(guī)格的原因：第一符合3.3 V的運(yùn)行環(huán)境;第二除了存儲(chǔ)程序外，依據(jù)容量還可存放數(shù)千個(gè)1 024 b的公鑰或密鑰，滿足了更多通信系統(tǒng)安全的需要。圖1是加密卡的基本框圖。

　　2 PC加密卡的設(shè)計(jì)

　　雖然現(xiàn)在PC機(jī)的CPU運(yùn)行速度越來(lái)越快，但加密和解密是一個(gè)極為復(fù)雜的過(guò)程，需要大量的科學(xué)計(jì)算霸占CPU的時(shí)間，這樣會(huì)使CPU運(yùn)行負(fù)荷，從而導(dǎo)致計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能下降，其他方面工作的處理能力也會(huì)變得極為緩慢。而PC加密卡是一種專為加密和解密設(shè)計(jì)的硬件，配備專業(yè)的DSP信號(hào)處理芯片來(lái)專一地進(jìn)行加解密的科學(xué)計(jì)算，分擔(dān)了CPU的處理運(yùn)算強(qiáng)度，提高了加解密的速度和PC的性能。 C54x系列的DSP芯片目前擁有主頻高達(dá)500 MHz或以上超快速度，計(jì)算能力也可以實(shí)現(xiàn)200 MIPS的水平，并且有望進(jìn)一步提高，使用C54x系列產(chǎn)品的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是它們采用同一套指令集，這就意味著有很好的軟件兼容性，無(wú)需反復(fù)更新。

　　加密卡能夠成功實(shí)現(xiàn)就依賴與上述各模塊之間的協(xié)調(diào)工作。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，DSP與FLASH ROM之間構(gòu)成密碼算法運(yùn)算和重要數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的平臺(tái)，DSP從FLASH ROM中調(diào)入預(yù)先設(shè)定好的加密算法和主控程序，并接收主機(jī)送來(lái)的指令和數(shù)據(jù)，由主控程序調(diào)入相應(yīng)的加密算法程序，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密或解密處理后，最終的數(shù)據(jù)由主機(jī)通過(guò)PCI接口芯片讀出。

　　3 加密卡的功能描述

　　本PC加密卡所實(shí)現(xiàn)的主要功能有：

　　數(shù)據(jù)加密解密功能 這是PC加密卡所具有的最基本的功能。加密卡目前封裝了DES,AES等對(duì)稱加密算法，RSA等非對(duì)稱公鑰算法,以及MD5等Hash算法。DES是使用最廣泛的密鑰系統(tǒng)，特別是用在保護(hù)金融數(shù)據(jù)的安全中，該加密算法具有應(yīng)用廣、速度快的優(yōu)點(diǎn)。AES作為新一代的數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn),匯聚了強(qiáng)安全性、高性能、高效率、易用和靈活等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。而MD5作為Hash算法，特點(diǎn)在于它是一種單向算法，用戶可以通過(guò)Hash算法對(duì)目標(biāo)信息生成一段特定長(zhǎng)度的惟一的Hash值，卻不能通過(guò)這個(gè)Hash值重新獲得目標(biāo)信息。因此Hash算法常用在不可還原的密碼存儲(chǔ)、信息完整性校驗(yàn)等。

　　數(shù)字簽名與認(rèn)證功能 主要利用RSA算法模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。它是第一個(gè)既能用于數(shù)據(jù)加密也能用于數(shù)字簽名的算法,易于理解和操作，也很流行。RSA是目前最有影響力的公鑰加密算法，能夠抵抗到目前為止已知的所有密碼攻擊，已被ISO推薦為公鑰數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)歷了各種攻擊，至今未被完全攻破。該算法特別適合在商業(yè)和金融業(yè)中的應(yīng)用，為滿足多方面的要求，在卡中實(shí)現(xiàn)了簽名和認(rèn)證功能。

　　密鑰管理功能 密鑰是加密與解密的核心，密鑰的產(chǎn)生、保存、分配、修改與刪除必須有一個(gè)完善的管理體系。而加密卡中的隨機(jī)數(shù)生成模塊便是完成這項(xiàng)任務(wù)的關(guān)鍵。該模塊可以利用物理噪聲源產(chǎn)生一個(gè)真正的隨機(jī)數(shù)，這就保證了一切密鑰都是在加密卡內(nèi)部完成的，并且都是通過(guò)加密卡加密后才與外部進(jìn)行交換。外界軟件和系統(tǒng)只能得到其中的公鑰，而無(wú)法得到私鑰的任何信息，保證密鑰的安全。

　　4 PCI9054簡(jiǎn)介

　　本文設(shè)計(jì)的PC加密卡，對(duì)接口芯片PCI9054的理解，涉及到產(chǎn)品的成敗，下面對(duì)PCI9054的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。

　　PCI9054是美國(guó)PLX公司生產(chǎn)的一種功能強(qiáng)、靈活性大，并且符合PCI V2.2規(guī)范的32位33 MHz總線接口控制器，它的出現(xiàn)使原本復(fù)雜化的PIC接口應(yīng)用設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單明了，成為目前使用最廣泛的PCI接口芯片之一，能夠輕松實(shí)現(xiàn)TMS320C54x系列DSP的HPI接口與PCI總線之間的無(wú)縫連接。作為PCI目標(biāo)設(shè)備，其傳輸速率最高可達(dá)132 MB/s。圖2顯示了PCI9054的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。

　　從整體看，PCI9054共提供了三個(gè)對(duì)外接口：PCI總線接口、LOCAL總線接口和E2PROM接口。PCI9054可看做是一種“橋接”芯片，完成DSP與PC之間數(shù)據(jù)和信息傳遞。另外，PCI9054具有可選的串行E2PROM接口，用來(lái)存放配置信息，完成啟動(dòng)時(shí)9054板卡的“熱插拔”功能。

　　PCI9054內(nèi)部有6個(gè)FIFO，分別作為三種數(shù)據(jù)傳輸模式的讀/寫數(shù)據(jù)通道，這些FIFO最主要的作用是使LOCAL總線與PCI總線的操作相互獨(dú)立完成，以及使PCI9054擁有零等待突發(fā)傳輸?shù)哪芰ΑＲ彩菍?shí)現(xiàn)PCI9054同步的LOCAL總線與C54x異步的HPI接口之間信號(hào)邏輯轉(zhuǎn)換的必備元素。LOCAL總線工作速率最高可達(dá)50 MHz。

　　4.1 PCI9054配置寄存器

　　PCI9054有5個(gè)內(nèi)部寄存器：PCI配置寄存器、本地配置寄存器、運(yùn)行寄存器、DMA寄存器組、消息隊(duì)列寄存器等，是非常繁瑣和復(fù)雜的。要想成功完成PCI9054的控制，就需要很好地理解與控制一些關(guān)鍵的寄存器。圖3為PCI9054配置寄存器的信息。

　　PCI9054提供了一個(gè)256 B支持即插即用功能的兼容PCI標(biāo)準(zhǔn)配置空間。PCI9054的配置寄存器配置的讀取和寫入，通常通過(guò)BIOS支持的PCI總線的中斷調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)。 BIOS中斷調(diào)用，獲取總線和單元號(hào)，進(jìn)行配置的讀寫;配置HPI CSR的基址寄存器，以訪問(wèn)HPI CSR的地址;配置控制空間基地址寄存器，配置命令寄存器生產(chǎn)相應(yīng)對(duì)的PCI周期。

　　4.2 PCI9054與DSP之間的傳輸過(guò)程

　　當(dāng)PCI9054配置成功后，便可通過(guò)DSP芯片的HPI接口進(jìn)行PC與DSP之間的數(shù)據(jù)傳輸。步驟如下：首先清除HPI的復(fù)位寄存器，PCI9054解析由PCI總線傳來(lái)的新地址匹配控制空間寄存器的值，選取將要通信的DSP芯片。接著主機(jī)發(fā)起HPI控制寄存器的BOB和HWOB位，選擇正確的字節(jié)定位，主機(jī)加載HPI地址寄存器，DSP便完成了一次完整的HPI存儲(chǔ)器的訪問(wèn)，數(shù)據(jù)被放置在HPI數(shù)據(jù)寄存器里，最后主機(jī)從HPI數(shù)據(jù)寄存器里讀寫數(shù)據(jù)。由此便完成了PC與DSP之間數(shù)據(jù)的傳輸。

　　5 結(jié) 語(yǔ)

　　本文介紹了一種新型基于DSP技術(shù)上的PC加密卡設(shè)計(jì)方案及原理，具有成本低、性能高、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，是抵抗網(wǎng)絡(luò)信息危險(xiǎn)與黑客竊密的有力武器，由于其各方面性價(jià)比的優(yōu)勢(shì)，適用于個(gè)人、企業(yè)、軍隊(duì)等廣泛領(lǐng)域，是保證信息安全必不可少的元素，具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　參 考 文 獻(xiàn)

　　[1]朱偉,李偉.基于PCI9054的PXI總線接口設(shè)計(jì)[J].機(jī)械與電子,2011(11):528-529.

　　[2]蔣彥,王建,劉亞麗.基于DSP和PCI總線的通用數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù),2008(4):43-45.

　　[3]雷宇.一種高效的DSP與FPGA的數(shù)據(jù)交換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].價(jià)值工程,2011(11):196-197.

　　[4]周霖.DSP信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)用[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2004.

　　[5]Texas Instruments. TMSC320C54x DSP reference set [M]. [S.l.]: Texas Instruments, 1996.

　　[6]劉明珍.密碼技術(shù)DES和RSA的比較與應(yīng)用[J].煤炭技術(shù),2011,30(6):176-178.

　　[7]馬衛(wèi)國(guó),何佩琨.通用高速PCI總線目標(biāo)模塊的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,1999(1):11-14.

　　[8]盧開澄.計(jì)算機(jī)密碼學(xué)[M].2版.北京:清華大學(xué)出版社,1998.

　　[9]徐小云,禹思敏,徐禮國(guó).基于DSP的混沌數(shù)字圖像加密與硬件實(shí)現(xiàn)[J].電子科技,2011,24(3):1-5.

　　[10]常少卿,任芳.基于FPGA的3DES加密系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011,34(18)：114-116.

　　作者簡(jiǎn)介：

　　卞東亮 男，1988年出生，山東樂陵人，碩士在讀。主要研究方向?yàn)樾畔⑾到y(tǒng)建模與仿真。

　　(上接第109頁(yè))

　　圖3和圖4中橫軸單位均為s，縱軸單位均為dB。通過(guò)比較圖3和圖4發(fā)現(xiàn)實(shí)際產(chǎn)生的結(jié)果與仿真結(jié)果大致相同，也因?yàn)橄禂?shù)的取整和最后上傳數(shù)據(jù)的截?cái)嘤猩僭S誤差，基本滿足要求。

　　4 結(jié) 語(yǔ)

　　本文采用Jakes改進(jìn)模型，基于FPGA模擬了無(wú)線信道的傳輸特性，最終經(jīng)過(guò)驗(yàn)證基本滿足要求。為了簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)過(guò)程，將系數(shù)取整以及傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行截?cái)啵a(chǎn)生一些誤差，在這方面可以采用浮點(diǎn)數(shù)表示系數(shù)得到更精確的值。

　　參 考 文 獻(xiàn)

　　[1]楊大成.移動(dòng)傳播環(huán)境[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

　　[2]JAKES W C. Microwave mobile communications [M]. New York: Wiley,1974.

　　[3]夏宇聞.Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008.

　　[4]BROWN Stephen, VRANESIC Zvonko.Fundamentals of digital logic with Verilog design [M]. 2nd. USA: McGraw-Hill,2001.

　　[5]BROWN S, ROSE J. FPGA and CPLD architectures: a tutorial [J]. IEEE Design and Test of Computers,1996,12(2): 42-57.

　　[6]BROWN S D, FRANCIS R, ROSE J, et al. Field-programmable gate Arrays [M]. Netherland: Kluwer Academic Publishers, 1992.

　　[7]Xilinx. Virtex-2po user guide [EB/OL].

　　[8]Xilinx. Advantages of virtex-5 FPGA 6-input LUT architecture [EB/OL].

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