CN103237021A - 一种基于fpga芯片的pci-e的高速密码卡 - Google Patents

一种基于fpga芯片的pci-e的高速密码卡 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA芯片的PCI-E的高速密码卡，属于信息安全领域，该密码卡包括FPGA芯片、SM1密码算法芯片、FPGA配置芯片、晶体振荡器、电源芯片1、电源芯片2、电源芯片3、程序下载口K1、程序调试口K2、PCI-E总线；FPGA芯片内部包括PCI-EIP硬核、状态机、双端口RAM，PCI-EIP硬核与物理的PCI-E总线相连，状态机与SM1密码算法芯片相连实现数据的交互，双端口RAM连接FPGA配置芯片；晶体振荡器与FPGA芯片相连。本发明的一种基于FPGA芯片的PCI-E的高速密码卡和现有技术相比，有效的解决网络中数据安全的问题，提供高效的防伪措施。

Description

一种基于FPGA芯片的PCI-E的高速密码卡
 
技术领域
本发明涉及一种信息安全领域，具体地说是一种基于FPGA芯片的PCI-E的高速密码卡。
背景技术
随着计算机网络技术的快速发展，人们对网络环境和网络信息资源的依赖程度日渐加深。近年来，网络信息安全的问题日渐严重，计算机犯罪案件数量急剧上升，已经成为普遍的国际性问题。网络信息安全问题的根源一方面来自网络自身的安全缺陷，如网络协议的不安全和业务的不安全；另一方面是人为的因素，例如因管理不善导致的黑客攻击。计算机网络已经成为当；今信息化社会发展的重要保证，网络信息安全关系到国家主权的安全、社会的稳定，关系到公私财物和个人隐私的安全。正是由于网络信息安全问题的存在，所以大量网络中存储和传输的重要数据需要得到有效的保护。
发明内容　　
　　本发明的技术任务是提供一种有效的解决网络中数据安全的问题，提供高效的防伪措施的一种基于FPGA芯片的PCI-E的高速密码卡。
本发明的技术任务是按以下方式实现的，该密码卡包括FPGA芯片、SM1密码算法芯片、FPGA配置芯片、晶体振荡器、电源芯片1、电源芯片2、电源芯片3、程序下载口K1、程序调试口K2、PCI-E总线；FPGA芯片内部包括PCI-E IP硬核、状态机、双端口RAM，PCI-E IP硬核与物理的PCI-E总线相连，状态机与SM1密码算法芯片相连实现数据的交互，双端口RAM连接FPGA配置芯片，通过FPGA配置芯片实现配置程序与数据的存储；晶体振荡器与FPGA芯片相连并提供工作时钟频率给FPGA芯片的应用层，且晶体振荡器通过FPGA芯片分频出时钟频率供给SM1密码算法芯片，作为SM1密码算法芯片的工作时钟频率；PCI-E总线的电压输出连接到电源芯片1，电源芯片1连接到电源芯片2及电源芯片3，电源芯片2连接FPGA芯片及SM1密码算法芯片，电源芯片3连接FPGA芯片内部的PCI-E IP硬核，程序下载口K1和程序调试接口K2均与FPGA芯片连接。
作为密码卡核心的FPGA芯片选用美国Altera公司Cyclone IV系列的EP4CGX30CF23C6型号芯片，FPGA芯片利用PCI-E IP硬核实现与PCI-E总线的连接，设置双端口RAM实现配置程序与数据的存储，并利用可编程技术、通过状态机实现对SM1密码算法芯片的逻辑控制。
EP4CGX30CF23C6型号芯片总引脚数为484，BGA封装，可利用的I/O管脚为307个，内含29440个LE，135KB的片内RAM，80个18×18的乘法器，4个高速串行收发器和1个PCI-E硬核IP。
SM1密码算法芯片为SSX30-D型号芯片。
国家密码管理局推荐的SSX30-D型号芯片为高性能分组密码算法芯片，实现SM1对称密码算法。该分组密码算法的分组长度为128比特，密钥长度为128比特。该SSX30-D型号芯片具有电子密本模式（ECB）、分组连接模式（CBC）以及单总线、双总线两种工作方式。SSX30-D型号芯片内部具有高速流水线，使数据输入、运算、数据输出并行进行，在电子密本模式双总线工作方式下加解密速率最高可达1.4Gbps。SSX30-D型号芯片安全性高，能有效保证用户进行交易时数据的安全性。
FPGA配置芯片采用Altera公司的EPCS128型号芯片，FPGA配置芯片用来存储配置程序，FPGA配置芯片与FPGA芯片相连，每次上电后FPGA芯片需要读取FPGA配置芯片里的配置程序进行密码卡的配置与初始化。
EPCS128型号芯片其容量为16MB，flash结构。
晶体振荡器采用100MHz的有源晶体振荡器，晶体振荡器与FPGA芯片相连，FPGA芯片通过自身内部的锁相环倍频出125MHz时钟频率作为FPGA芯片的应用层的工作时钟频率，FPGA芯片通过自身内部的锁相环分频出20MHz时钟频率供给SM1密码算法芯片作为SM1密码算法芯片的工作时钟频率。
电源芯片1采用美国Linear公司的LTM4602型号电源转换芯片，电源芯片1连接PCI-E总线，将PCI-E总线的12V电压转换为5V电压输出，供该密码卡使用。
电源芯片2采用美国TI公司的TPS767D301型号电源转换芯片，将电源芯片1转换的5V电压转换为两路3.3V和2.5V电压，分别供给FPGA芯片的I/O引脚和锁相环引脚；另外3.3V电压也供给SM1密码算法芯片使用。
电源芯片3采用美国TI公司的TPS54612PWP型号电源转换芯片，将电源芯片1转换的5V电压转换为1.2V电压，供FPGA芯片内部的PCI-E IP硬核使用。
程序下载接口K1通过连接线连接到主机，将程序经FPGA芯片下载到FPGA配置芯片中。
程序调试接口K2为JTAG口，通过连接线连接到主机，在该密码卡调试的过程中将程序下载至FPGA芯片中。
在该密码卡调试的过程中，FPGA芯片内部自带的嵌入式逻辑分析仪SignalTap，可以在密码卡的显示器上清楚的显示各信号的时序波形，从而方便了程序的修改和调试。
利用FPGA芯片的PCI-E IP硬核技术实现了PCI-E总线的接口逻辑，并通过FPGA芯片的状态机控制SM1密码算法芯片片的高效运行，对数据快速处理
FPGA，英文全称Field－Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列。FPGA芯片主要包括：可编程输入输出单元（IOB）、基本可编程逻辑单元（CLB）、完整的时钟管理（DCM）、嵌入式块RAM（BRAM）、丰富的布线资源、内嵌的底层功能单元、嵌入式硬核。
本发明的一种基于FPGA芯片的PCI-E的高速密码卡，主要用于信息安全领域的数据加解密操作，具有以下优点：
1、采用了国家密码管理局推荐的高安全性的密码算法芯片，因此数据很难被篡改，从而可以满足信息安全领域对数据进行安全防护的要求；
2、主要用于信息安全领域的数据加解密操作，实现了PCI-E总线的接口逻辑；
3、该密码卡具有速度快、效率高、功耗小的优点；因而，具有很好的推广使用价值。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
附图1为一种基于FPGA芯片的PCI-E的高速密码卡的结构框图。
具体实施方式
参照说明书附图和具体实施例对本发明的一种基于FPGA芯片的PCI-E的高速密码卡作以下详细地说明。
实施例：
本发明的一种基于FPGA芯片的PCI-E的高速密码卡, 该密码卡包括FPGA芯片、SM1密码算法芯片、FPGA配置芯片、晶体振荡器、电源芯片1、电源芯片2、电源芯片3、程序下载口K1、程序调试口K2、PCI-E总线；FPGA芯片内部包括PCI-E IP硬核、状态机、双端口RAM，PCI-E IP硬核与物理的PCI-E总线相连，状态机与SM1密码算法芯片相连实现数据的交互，双端口RAM连接FPGA配置芯片，通过FPGA配置芯片实现配置程序与数据的存储；晶体振荡器与FPGA芯片相连并提供工作时钟频率给FPGA芯片的应用层，且晶体振荡器通过FPGA芯片分频出时钟频率供给SM1密码算法芯片，作为SM1密码算法芯片的工作时钟频率；PCI-E总线的电压输出连接到电源芯片1，电源芯片1连接到电源芯片2及电源芯片3，电源芯片2连接FPGA芯片及SM1密码算法芯片，电源芯片3连接FPGA芯片内部的PCI-E IP硬核，程序下载口K1和程序调试接口K2均与FPGA芯片连接。
作为密码卡核心的FPGA芯片选用美国Altera公司Cyclone IV系列的EP4CGX30CF23C6型号芯片，FPGA芯片利用PCI-E IP硬核实现与PCI-E总线的连接，设置双端口RAM实现配置程序与数据的存储，并利用可编程技术、通过状态机实现对SM1密码算法芯片的逻辑控制。
EP4CGX30CF23C6型号芯片总引脚数为484，BGA封装，可利用的I/O管脚为307个，内含29440个LE，135KB的片内RAM，80个18×18的乘法器，4个高速串行收发器和1个PCI-E硬核IP。
SM1密码算法芯片为SSX30-D型号芯片。
国家密码管理局推荐的SSX30-D型号芯片为高性能分组密码算法芯片，实现SM1对称密码算法。该分组密码算法的分组长度为128比特，密钥长度为128比特。该SSX30-D型号芯片具有电子密本模式（ECB）、分组连接模式（CBC）以及单总线、双总线两种工作方式。SSX30-D型号芯片内部具有高速流水线，使数据输入、运算、数据输出并行进行，在电子密本模式双总线工作方式下加解密速率最高可达1.4Gbps。SSX30-D型号芯片安全性高，能有效保证用户进行交易时数据的安全性。
FPGA配置芯片采用Altera公司的EPCS128型号芯片，FPGA配置芯片用来存储配置程序，FPGA配置芯片与FPGA芯片相连，每次上电后FPGA芯片需要读取FPGA配置芯片里的配置程序进行密码卡的配置与初始化。
EPCS128型号芯片其容量为16MB，flash结构。
晶体振荡器采用100MHz的有源晶体振荡器，晶体振荡器与FPGA芯片相连，FPGA芯片通过自身内部的锁相环倍频出125MHz时钟频率作为FPGA芯片的应用层的工作时钟频率，FPGA芯片通过自身内部的锁相环分频出20MHz时钟频率供给SM1密码算法芯片作为SM1密码算法芯片的工作时钟频率。
电源芯片1采用美国Linear公司的LTM4602型号电源转换芯片，电源芯片1连接PCI-E总线，将PCI-E总线的12V电压转换为5V电压输出，供该密码卡使用。
电源芯片2采用美国TI公司的TPS767D301型号电源转换芯片，将电源芯片1转换的5V电压转换为两路3.3V和2.5V电压，分别供给FPGA芯片的I/O引脚和锁相环引脚；另外3.3V电压也供给SM1密码算法芯片使用。
电源芯片3采用美国TI公司的TPS54612PWP型号电源转换芯片，将电源芯片1转换的5V电压转换为1.2V电压，供FPGA芯片内部的PCI-E IP硬核使用。
程序下载接口K1通过连接线连接到主机，将程序经FPGA芯片下载到FPGA配置芯片中。
程序调试接口K2为JTAG口，通过连接线连接到主机，在该密码卡调试的过程中将程序下载至FPGA芯片中。
在该密码卡调试的过程中，FPGA芯片内部自带的嵌入式逻辑分析仪SignalTap，可以在密码卡的显示器上清楚的显示各信号的时序波形，从而方便了程序的修改和调试。
本发明的一种基于FPGA芯片的PCI-E的高速密码卡，一次业务流程如下：
1、通过上层软件设置好需要传送的待加密（解密）的数据包，设置FPGA芯片的相关命令。
2、启动数据传输，将数据包通过PCI-E总线依次传入FPGA芯片 的双端口RAM区。
3、待所有数据包传输完成后，FPGA芯片设置相关进程，启动状态机。
4、SM1密码算法芯片开始工作，此时FPGA芯片等待运算的完成。
5. SM1密码算法芯片运算完成后再由状态机的控制将加密（解密）后的数据传回到双端口RAM区相应的地址范围内。待所有数据传完之后状态机产生中断信号，FPGA芯片之后通过PCI-E总线将运算完成的数据传回到主机。至此完成了该密码卡的一次业务流程。
本发明的一种基于FPGA芯片的PCI-E的高速密码卡，除说明书所述的技术特征外，均为本专业技术人员的已知技术。

Claims (10)

1.一种基于FPGA芯片的PCI-E的高速密码卡，其特征在于该密码卡包括FPGA芯片、SM1密码算法芯片、FPGA配置芯片、晶体振荡器、电源芯片1、电源芯片2、电源芯片3、程序下载口K1、程序调试口K2、PCI-E总线；FPGA芯片内部包括PCI-E IP硬核、状态机、双端口RAM，PCI-E IP硬核与物理的PCI-E总线相连，状态机与SM1密码算法芯片相连实现数据的交互，双端口RAM连接FPGA配置芯片，通过FPGA配置芯片实现配置程序与数据的存储；晶体振荡器与FPGA芯片相连并提供工作时钟频率给FPGA芯片的应用层，且晶体振荡器通过FPGA芯片分频出时钟频率供给SM1密码算法芯片，作为SM1密码算法芯片的工作时钟频率；PCI-E总线的电压输出连接到电源芯片1，电源芯片1连接到电源芯片2及电源芯片3，电源芯片2连接FPGA芯片及SM1密码算法芯片，电源芯片3连接FPGA芯片内部的PCI-E IP硬核，程序下载口K1和程序调试接口K2均与FPGA芯片连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA芯片的PCI-E的高速密码卡，其特征在于FPGA芯片选用美国Altera公司Cyclone IV系列的EP4CGX30CF23C6型号芯片，FPGA芯片利用PCI-E IP硬核实现与PCI-E总线的连接，设置双端口RAM实现配置程序与数据的存储，并利用可编程技术、通过状态机实现对SM1密码算法芯片的逻辑控制。
3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA芯片的PCI-E的高速密码卡，其特征在于SM1密码算法芯片为SSX30-D型号芯片。
4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA芯片的PCI-E的高速密码卡，其特征在于FPGA配置芯片采用Altera公司的EPCS128型号芯片，FPGA配置芯片用来存储配置程序，FPGA配置芯片与FPGA芯片相连，每次上电后FPGA芯片需要读取FPGA配置芯片里的配置程序进行密码卡的配置与初始化。
5.根据权利要求1所述的一种基于FPGA芯片的PCI-E的高速密码卡，其特征在于晶体振荡器采用100MHz的有源晶体振荡器，晶体振荡器与FPGA芯片相连，FPGA芯片通过自身内部的锁相环倍频出125MHz时钟频率作为FPGA芯片的应用层的工作时钟频率，FPGA芯片通过自身内部的锁相环分频出20MHz时钟频率供给SM1密码算法芯片作为SM1密码算法芯片的工作时钟频率。
6.根据权利要求1所述的一种基于FPGA芯片的PCI-E的高速密码卡，其特征在于电源芯片1采用美国Linear公司的LTM4602型号电源转换芯片，电源芯片1连接PCI-E总线，将PCI-E总线的12V电压转换为5V电压输出，供该密码卡使用。
7.根据权利要求1所述的一种基于FPGA芯片的PCI-E的高速密码卡，其特征在于电源芯片2采用美国TI公司的TPS767D301型号电源转换芯片，将电源芯片1转换的5V电压转换为两路3.3V和2.5V电压，分别供给FPGA芯片的I/O引脚和锁相环引脚；另外3.3V电压也供给SM1密码算法芯片使用。
8.根据权利要求1所述的一种基于FPGA芯片的PCI-E的高速密码卡，其特征在于电源芯片3采用美国TI公司的TPS54612PWP型号电源转换芯片，将电源芯片1转换的5V电压转换为1.2V电压，供FPGA芯片内部的PCI-E IP硬核使用。
9.根据权利要求1所述的一种基于FPGA芯片的PCI-E的高速密码卡，其特征在于程序下载接口K1通过连接线连接到主机，将程序经FPGA芯片下载到FPGA配置芯片中。
10.根据权利要求1所述的一种基于FPGA芯片的PCI-E的高速密码卡，其特征在于程序调试接口K2为JTAG口，通过连接线连接到主机，在该密码卡调试的过程中将程序下载至FPGA芯片中。
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