CN102739393B - 基于apb总线的硬件加密uart装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于APB总线的硬件加密UART装置，包括：APB总线接口模块，包括一根中断申请信号以及AMBAAPB总线定义的所有信号线，负责与APB主机通信；UART总线接口模块，包括用以接收RXD与发送TXD两根信号线，支持与其他UART主机通信；硬件加密模块，用以接收来自APB总线接口模块的明文数据与加密密钥，明文宽度为8位，根据密钥与明文输出8位加密数据；解密模块，根据8位加密数据与APB总线接口模块送来的密钥生成8位明文数据；硬件加密模块与解密模块在APB总线接口模块与UART总线接口模块之间。本发明硬件资源简单、具有良好的安全性和易用性。
Description
技术领域
本发明涉及嵌入式系统安全通信领域，具体来说是一个挂载在APB总线上的带有硬件加密功能的UART装置。
背景技术
UART是目前广泛使用的一种通用串行数据接口，应用范围极其广泛,例如计算机外设、工业控制等场合。UART的作用是，它既可以接收外围设备的串行数据输入，并转换成计算机内部所需的并行数据，也可以把计算机内部的并行数据转换成串行数据，并发送给外围设备。对于串行数据传输速率要求不高的设备，使用UART进行串行通信是一种性价比较高的设计方案。
传统普通UART一般由总线接口部分、控制部分、接收器、发送器和波特率发生器组成，其中接收器和发送器部分可以是双缓冲结构，总线接口部分可以为APB总线从机结构，例如附图1所示结构。
在一些嵌入式系统通信领域，如信息安全卡，军事领域，通信安全非常重要，传统UART只能明文传输数据，不能达到安全通信的使用要求。对此有一种解决方法是先用软件加密数据，然后再将加密后的数据通过UART发送，接收方接收数据后也需要用相应软件对数据进行解密得到明文，这就对软件编程提出了要求，加大了软件开发难度。
发明内容
为了克服已有UART装置的安全性较差、卡发难度较大、实用性较差的不足，本发明提供一种硬件资源简单、具有良好的安全性和易用性的基于APB总线的硬件加密UART装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于APB总线的硬件加密UART装置，所述硬件加密UART装置包括：
APB总线接口模块，包括一根中断申请信号以及AMBAAPB总线定义的所有信号线，负责与APB主机通信，将APB总线上传来的要发送的明文数据交给硬件加密模块，负责将硬件解密模块传来的接收到的数据打包传到APB总线上。
UART总线接口模块，包括用以接收RXD与发送TXD两根信号线，支持与其他UART主机通信；每帧数据有起始位、5到8位的数据位和可选择的奇偶校验位以及1~2位的停止位，其中，起始位为低电平，停止位为高电平；
硬件加密模块，用以接收来自APB总线接口模块的明文数据与加密密钥，明文宽度为8位，根据密钥与明文输出8位加密数据；
解密模块，根据8位加密数据与APB总线接口模块送来的密钥生成8位明文数据；
硬件加密模块与解密模块在APB总线接口模块与UART总线接口模块之间。
进一步，所述加密模块配合一个8位2选1多路选择器，如果使能加密模块，则由控制信号控制选通发送密文数据到UART总线接口模，如果不使能加密模块，则密钥无效，由控制信号控制选通发送明文数据到UART总线接口模块；
所述解密模块配合一个8位2选1多路选择器，如果使能解密模块，则由控制信号控制选通解密后数据到APB总线接口模块，如果不使能解密模，则密钥无效，由控制信号选通直接接收到的数据到APB总线接口模块。
本发明的有益效果主要表现在：硬件资源简单、具有良好的安全性和易用性。
附图说明
图1为基于APB总线的传统UART装置模块图。
图2为基于APB总线的硬件加密UART装置的模块图。
图3为APB总线写数据时序图
图4为APB总线读数据时序图
图5为UART传输数据帧格式的示意图。
图6为UART采样接收数据的时序图。
图7为一种硬件加密模块设计的原理图。
图8为一种硬件解密模块设计的原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图2～图8，一种基于APB总线的硬件加密UART装置，包含APB总线模块1，UART总线模块2，硬件加密模块3，硬件解密模块4，控制模块5，加密模块8位2选1多路选择器6，解密模块8位2选1多路选择器7。
APB总线接口模块1拥有一根中断申请信号以及AMBAAPB总线定义的所有信号线，负责与APB主机通信，将APB总线上传来的控制命令与要发送的明文数据交给UART控制模块5和硬件加密模块3，负责将控制模块5的状态信号与硬件解密模块4传来的接收到的数据打包传到APB总线上。
中断申请信号在没有中断请求时保持低电平，当发生中断请求时保持高电平。
下面结合图3、图4简要描述APB总线读写具体工作原理，具体可参见ARM公司AMBA总线规范。
空闲时选通信号（PSEL）与使能信号（PENABLE）均为低，数据（PDATA）与地址（PADDR）无效。
发生一次APB写操作时，如图3，在准备周期主机将数据（PDATA），地址（PADDR）准备好，同时置位选通信号（PSEL），在使能周期置位使能信号（PENABLE）。这些信号必须保持到使能周期末的上升沿，在此上升沿，数据将根据地址写入相应寄存器。
发生一次APB读操作时，如图4，在准备周期主机将地址（PADDR）准备好，同时置位选通信号（PSEL），在使能周期置位使能信号（PENABLE），同时APB接口模块根据地址将数据（PRDATA）准备好。这些信号必须保持到使能周期末的上升沿，在此上升沿，主机将读走数据。
UART总线接口模块2拥有接收RXD与发送TXD两根信号线，支持与其他UART主机通信。具体通信格式如图5所示，每帧数据有起始位、5到8位的数据位和可选择的奇偶校验位以及1~2位的停止位，其中起始位为低电平，停止位为高电平。
具体实现时可采用以下方案：
发送数据时，将由波特率发生器产生发送时钟，发送模块根据发送时钟，数据帧控制信息，将5-8位并行数据以上文所述通信格式从TXD发送数据线上串行发送出去。
接收数据时，由波特率发生器产生接收时钟，在接收数据线RXD监测到低电平起始位后，每16个接收时钟周期采样一次接收数据线RXD，如图6所示。完成数据位、奇偶校验位与停止位采样后将5-8位并行数据放到接收缓存中。
硬件加密模块3与解密模块4在APB总线接口模块1与UART总线接口模块2之间。
APB总线接口1将要发送的明文数据与加密密钥送到硬件加密模块3。明文宽度为8位，加密模块根据密钥与明文输出8位加密数据。加密模块配合一个8位2选1多路选择器6，如果使能加密模块3，则由控制信号控制选通发送密文数据到UART总线接口模2，如果不使能加密模块3，则密钥无效，由控制信号控制选通发送明文数据到UART总线接口模2。
当UART总线接口模块2接收到加密数据后将8位加密数据送到解密模块4，解密模块4根据8位加密数据与APB接口模块1送来的密钥生成8位明文数据，解密模块配合一个8位2选1多路选择器7。如果使能解密模块4，则由控制信号控制选通解密后数据到APB总线接口模块1，如果不使能解密模4，则密钥无效，由控制信号选通直接接收到的数据到APB总线接口模块1。
密钥宽度可以为32位，也可使用64位、128位、256位，下面进行加密解密模块3设计举例，该例子为硬件比特流加密法原理图，仅表示模块的可实现性，在具体实现时并不限于这一种方式。
附图7为8位数据其中1位的加密原理图。
当密钥为32位时n为4，4个SR寄存器初始化值为密钥中的4位（数据第1位对应密钥1-4位，数据第2位对应密钥5-8位，以此类推）；
当密钥为64位时n为8，8个SR寄存器初始化值为密钥中的8位（数据第1位对应密钥1-8位，数据第2位对应密钥9-16位，以此类推）；
当密钥为128位时n为16，16个SR寄存器初始化值为密钥中的16位（数据第1位对应密钥1-16位，数据第2位对应密钥17-32位，以此类推）；
当密钥为256位时n为32，32个SR寄存器初始化值为密钥中的32位（数据第1位对应密钥1-32位，数据第2位对应密钥33-64位，以此类推）；
加密时，输出密文Y=X+SR0，并写回SRn-1。，SRn-2=SRn-1+Y，其余SR0~SRn-3均为SRi-1=SRi（i取1至n-2）。8组该电路一起一个时钟周期完成一次一个8位数据的加密。
附图8为8位数据其中1位的解密原理图。
当密钥为32位时n为4，4个DSR寄存器初始化值为密钥中的4位（数据第1位对应密钥1-4位，数据第2位对应密钥5-8位，以此类推）；
当密钥为64位时n为8，8个DSR寄存器初始化值为密钥中的8位（数据第1位对应密钥1-8位，数据第2位对应密钥9-16位，以此类推）；
当密钥为128位时n为16，16个DSR寄存器初始化值为密钥中的16位（数据第1位对应密钥1-16位，数据第2位对应密钥17-32位，以此类推）；
当密钥为256位时n为32，32个DSR寄存器初始化值为密钥中的32位（数据第1位对应密钥1-32位，数据第2位对应密钥33-64位，以此类推）；
解密时，输出明文Y=X+DSR0，同时X写入DSRn-1，DSRn-2=DSRn-1+X，其余DSR0~DSRn-3均为DSRi-1=DSRi（i取1至n-2）。8组该电路一起一个时钟周期完成一次一个8位数据的解密。
Claims (2)
1.一种基于APB总线的硬件加密UART装置，其特征在于：所述硬件加密UART装置包括：
APB总线接口模块，包括一根中断申请信号线、一根由AMBA协议定义的APB总线，所述APB总线接口模块负责与APB主机通信，将APB总线上传来的要发送的明文数据交给硬件加密模块，负责将硬件解密模块传来的接收到的数据打包传到APB总线上；
UART总线接口模块，包括用以接收RXD与发送TXD两根信号线，支持与其他UART主机通信；每帧数据有起始位、5到8位的数据位和可选择的奇偶校验位以及1～2位的停止位，其中，起始位为低电平，停止位为高电平；
硬件加密模块，用以接收来自APB总线接口模块的明文数据与加密密钥，明文宽度为8位，根据密钥与明文输出8位加密数据；
解密模块，根据8位加密数据与APB总线接口模块送来的密钥生成8位明文数据；
硬件加密模块与解密模块在APB总线接口模块与UART总线接口模块之间。
2.如权利要求1所述的基于APB总线的硬件加密UART装置，其特征在于：所述加密模块配合一个8位2选1多路选择器，如果使能加密模块，则由控制信号控制选通发送密文数据到UART总线接口模，如果不使能加密模块，则密钥无效，由控制信号控制选通发送明文数据到UART总线接口模块；
所述解密模块配合一个8位2选1多路选择器，如果使能解密模块，则由控制信号控制选通解密后数据到APB总线接口模块，如果不使能解密模，则密钥无效，由控制信号选通直接接收到的数据到APB总线接口模块。
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