基于循环式结构和复合域s-box的AES算法IP设计与验证

摘要

自从美国国家标准技术局NIST宣布AES取代DES成为新一代密码算法标准之后，AES受到了极大的关注，出现了大量AES算法的硬件实现。有的是为提高数据吞吐率基于流水线结构的FPGA实现，有的是为缩小面积采用变换域方法对S-box进行优化的ASIC实现。本文详细介绍了AES算法原理的加密运算、解密运算、密钥扩展运算和作为AES算法基础的有限域知识。在用matlab程序对AES算法进行软件仿真之后，文中提出实现AES算法的三种硬件结构，提高吞吐率的基于流水线结构和缩小面积的基于循环式结构是AES算法研究的两个主要方向，而基于流水线循环混合式结构实现了速度和面积的折中。在基于循环式结构的方案下，本文提出用复合域方法和费尔马小定理相结合实现字节替代变换与其逆变换的结构共用设计，并用矩阵和分解方法实现列混合变换与其逆变换的结构共用设计，对构成AES算法的其它变换的结构共用设计也给出了分析。在基于循环式结构和结构共用设计的框架之下，采用硬件描述语言verilog实现了AES算法，并且为其设计了AHB接口以方便集成，随后使用EDA工具VCS对AES算法的RTL代码进行了功能仿真，仿真结果表明AES算法逻辑设计正确。

目录

致谢

摘要

一、引言

1．1 论文选题背景

1．2 高级加密标准AES的发展历程

1．3 国内外AES算法研究现状

1．4 论文主要工作及结构安排

二、AES算法

2．1 AES算法基本概念

2．2 数学知识基础

2．2．1 有限域GF(28)上的加法

2．2．2 有限域GF(28)上的乘法

2．2．3 系数在GF(28)上的多项式

2．3 加密算法

2．3．1 字节替代变换

2．3．2 行移位变换

2．3．3 列混合变换

2．3．4 密钥加变换

2．4 密钥扩展算法

2．4．1 密钥扩展

2．4．2 密钥选择

2．5 解密算法

2．5．1 字节替代逆变换

2．5．2 行移位逆变换

2．5．3 列混合逆变换

2．5．4 密钥加的逆变换

2．6 加解密结构比较

2．7 本章小结

三、硬件设计

3．1 AES硬件实现结构

3．2 基于循环式结构

3．2．1 轮变换结构顺序

3．2．2 轮变换结构复用

3．3 轮变换硬件实现

3．3．1 字节替代变换与其逆变换

3．3．2 行移位变换与其逆变换

3．3．3 列混合变换与其逆变换

3．4 密钥扩展硬件实现

3．5 本章小结

四、AMBA协议与RTL仿真

4．1 AMBA总线协议

4．1．1 AMBA典型架构

4．1．2 AMBA总线互联

4．1．3 AMBA基本组件

4．1．4 AHB基本传输

4．2 RTL仿真

4．2．1 仿真环境

4．2．2 文档结构

4．2．3 仿真结果

4．2．4 本章小结

结论

参考文献

附录A

附录B

声明

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