作为网络安全问题一种较好的解决方案，加密卡通常需要具备下列功能：
·使用密码算法对数据进行加密解密，密码算法应可更换、升级、克服硬件改动困难的缺点，保护用户投资；
·存放密钥、证书及其他必需的数据，主密钥和重要的密钥应受到保护，而且这种保护应该比通常的软件能达到的强度更高；
·与主机、外围设备和系统软件有良好接口，方便用户开发相应的高层软件。
上述要求决定了ＰＣ加密卡的设计目标以及基本结构。
１ ＰＣ加密卡的基本结构
ＰＣ加密卡主要由主ＣＰＵ、计算机总线接口、板上ＲＡＭ／ＲＯＭ、随机数生成模块和外部设备接口等组成。ＴＩ公司新推出的ＴＭＳ３２０Ｃ６ｘ系列ＤＳＰ功能强，速度也非常快，但目前价格仍然太高，不适合一般加解密使用。而ＴＭＳ３２０Ｃ５４ｘ系列具有性能适中，价格低廉，产品成熟等特点，是较好的选择。本文所介绍的ＰＣ加密卡以ＴＭＳ３２０Ｃ５４ｘ ＤＳＰ为其主ＣＰＵ。ＴＭＳ３２０Ｃ５４ｘ系列ＤＳＰ的部分产品具有ＨＰＩ接口，设计为容易与ＩＳＡ总线相连。但基于ＩＳＡ总线的产品已经处于逐渐落伍的状态，ＰＣＩ总线是当前和今后一段时间ＰＣ适配卡的主要开发平台，因此需要在ＰＣＩ总线平台上开发加密卡产品。
使用通用的ＰＣＩ接口芯片能够减少开发时间和成本，并获得较好的数据传输性能。在众多通用的ＰＣＩ接口芯片中，ＡＭＣＣ公司的Ｓ５９２０、ＰＬＸ公司的ＰＣＩ９０５０／５２等芯片是从ＩＳＡ到ＰＣＩ总线平台平滑过渡的最佳选择，这些芯片实现了ＰＣＩ目标设备的功能，提供了与ＩＳＡ总线信号兼容或时序相似的本地总线信号。但从ＤＳＰ和适配卡的发展方向来说，３．３Ｖ低电压的信号环境是更主流的选择，因此加密卡采用的是ＰＬＸ公司的ＰＣＩ９０５４与ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０ＬＣ（ＶＣ）５４ｘ的，外围信号都是３．３Ｖ电平。图１是整个加密卡的基本结构框图。
２ ＰＣ加密卡的设计
虽然ＰＣ机的ＣＰＵ的速度越来越快，但是在加解密等大量科学计算面前，还是有些力不从心。而且由于加解密要占用ＣＰＵ大量的时间，在加解密运算时，使计算机系统性能降低，其他工作的处理大大放慢。加密卡由于专为加解密目的设计，采用适用于科学计算的ＤＳＰ芯片，因此能够减轻ＣＰＵ的计算负担，提高加解密速度和整个ＰＣ的性能。目前Ｃ５４ｘ系列的ＤＳＰ芯片主频已高达１００ＭＨｚ以上，运算能力亦能达到２００ＭＩＰＳ的水平，并且随着工艺水平的进步，将进一步提高，Ｃ５４ｘ系列ＤＳＰ采用同一套指令系统，具有极好的向下兼容特性，推出系列硬件产品可以减少软件开发的成本。
由于除Ｃ５４１、Ｃ５４２等少数芯片之外，其他Ｃ５４ｘ系列芯片的标称电压均为３．３Ｖ以下。而目前多数ＰＣＩ接口芯片为５Ｖ标称电压（其中ＰＣＩ９０５４可工作于双电压，可用于设计通用卡），因此两种芯片之间还需要信号电平的转换芯片，常用的芯片有７４ＬＶＣ４２４５等双电压驱动芯片、ＳＮ７４ＣＢＴＤ３３８４等总线开关。可编程逻辑芯片、Ｆｌａｓｈ ＲＯＭ及Ａ／Ｄ芯片等则均有５Ｖ和３．３Ｖ的产品，选择范围较广。采用ＰＣＩ接口芯片而不是使用ＦＰＧＡ、ＣＰＬＤ等芯片来实现部分的ＰＣＩ接口逻辑，主要是因为ＰＣＩ接口芯片功能全而强大（例如ＦＩＦＯ速度快、容量大，可支持ＤＭＡ方式等），而且可以减少设计失误，缩短开发周期，降低总体开发成本。
考虑到ＤＳＰ中的片上ＲＡＭ已经能够满足大部分程序的容量要求，而因为算法可升级，对外部存储器的写入频度较小但不可缺，所以将卡上的ＲＡＭ和ＲＯＭ合二为一，采用适合此项功能的闪存（Ｆｌａｓｈ） ＲＯＭ。选择该类型芯片可以简化设计，具体使用的是ＡＭＤ公司５１２ＫＢ容量的２９Ｆ０４０（５Ｖ）或２９ＬＶ０４０（３．３Ｖ），选取该容量主要依据卡上的算法代码的大小以及所需存放密钥、证书的数量而定，这样Ｆｌａｓｈ ＲＯＭ除存储程序之外，还可存放数千个１０２４比特的公钥和同等数量的私钥，可以满足大多数安全通信系统的需要。
３ 模块的功能描述
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。ＰＣ加密卡目前封装了ＤＥＳ、ＩＤＥＡ、ＴＵＣ等对称加密算法，以及ＲＳＡ等公钥算法。ＤＥＳ作为传统的加密算法具有应用广、速度快的优点。ＩＤＥＡ是已公开的可用算法中速度快且安全性强的分组密码算法，具有良好的应用前景。而公钥加密算法ＲＳＡ则具有较高的安全性和密钥管理方便的特点，通常用来对会话密钥加以保护。
·数字签名与认证功能：数字签名在当前的商业和金融业中已经有了广泛的应用，为满足多方面的要求，在卡中实现了签名和认证功能，主要利用ＲＳＡ算法模块来实现。
·密钥管理功能：为维护ＰＣ加密卡的正常运行，密钥的产生、保存、分配与管理功能是必不可少的。由于私钥等重要密钥在卡中保存，这一功能由加密卡的配套软件与加密卡本身协同实现。卡上内置的软件设计为可自动生成ＲＳＡ的一对密钥，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。
上述功能的实现依赖于加密卡各模块间的协调工作，下面是各主要模块的具体功能描述：
ＤＳＰ与Ｆｌａｓｈ ＲＯＭ构成密码算法运算和重要数据存储的平台。系统启动时，ＤＳＰ从Ｆｌａｓｈ ＲＯＭ调入自举和主控程序，接收主机送来的指令和数据，调入相应的算法程序，对数据进行加密或解密处理后，由主机通过ＰＣＩ接口芯片读出（见图２）。
在这里可编程逻辑芯片主要实现Ｆｌａｓｈ ＲＯＭ的读写信号和Ｃ５４ｘ外部等待状态的生成。因为目前多数Ｆｌａｓｈ ＲＯＭ的读写速度跟不上ＤＳＰ芯片的速度，除了ＤＳＰ芯片的内部等待状态（最多７个ＤＳＰ时钟周期）之外，还要加上外部等待状态。下面就是一个生成８时钟周期等待状态的模块（不使用ＭＳＣ＃信号），修改Ｑ寄存器的数目和计数器的计数值，可以任意添加或减少等待状态至最佳状态。
ＳＴＡＲＴ ｎｏｄｅ ｉｓｔｙｐｅ ＇ｒｅｇ＿ｄ＇；
Ｑ０，Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３ ｎｏｄｅ ｉｓｔｙｐｅ ＇ｒｅｇ＿ｄ＇；
ＣＯＵＮＴ＝[Ｑ３，Ｑ２，Ｑ１，Ｑ０]；
ＳＴＡＲＴ．Ｄ＝１；
ＳＴＡＲＴ．ＣＬＫ＝！ＯＥ＃！ＷＥ；
ＳＴＡＲＴ．ＡＲ＝Ｑ３；
ＣＯＵＮＴ：＝（ＣＯＵＮＴ＋１）＆ＳＴＡＲＴ＃ＣＯＵＮＴ＆！ＳＴＡＲＴ；
ＣＯＵＮＴ．ＡＲ＝！ＳＴＡＲＴ*Ｑ３；
ＣＯＵＮＴ．ＣＬＫ＝ＣＬＫ；
ＲＥＡＤＹ＝！ＳＴＡＲＴ；
ＰＣＩ接口芯片、串行ＥＥＰＲＯＭ与可编程逻辑芯片构成与主机的接口模块，使主机与ＤＳＰ之间可以透明的交换指令和数据。另外，ＰＣＩ接口模块提供了ＰＣＩ配置功能，支持Ｗｉｎｄｏｗｓ平台的即插即用，最大程度的方便用户的安装与使用。
ＰＣＩ９０５４同步的Ｌｏｃａｌ总线与Ｃ５４ｘ异步的ＨＰＩ接口之间需要信号逻辑转换，该功能由可编程逻辑芯片方便地实现。图３是ＰＣＩ９０５４与３．３Ｖ的ＬＣ５４ｘ芯片ＨＰＩ口的连接示意框图，其中的ＰＣＩ９０５４工作在３２位Ｌｏｃａｌ总线，非突发的目标设备读写模式。
ＬＨＯＬＤＡ由ＬＨＯＬＤ延迟一个Ｌｏｃａｌ总线时钟周期得到，并在反相后接到ＤＳＰ的ＨＣＳ脚。其他主要信号的基本时序关系见图４。
根据芯片的时序数据，在保证ＰＣＩ９０５４的工作时序与ＬＣ５４ｘ的ＨＰＩ口的时序满足要求的条件下，Ｌｏｃａｌ总线可以工作在４０ＭＨｚ以上。
随机数生成模块的功能是产生真正意义上的随机数，而不是由软件通常所产生的伪随机数。真随机数在密码技术中的用途有：产生工作密钥和会话密钥，为公钥算法提供生成素数所需的随机数，某些公钥算法和协议（例如密钥交换协议等）直接需要一个或多个随机数参与运算等。模块生成随机数的机理源于大自然中永恒的噪声，将元器件（例如雪崩二极管）所固有的噪声加以放大，再通过Ａ／Ｄ芯片采样转换，便得到了真正意义上的随机数。本文设计的ＰＣ加密卡该模块使用的器件较少，而且采用的Ａ／Ｄ芯片ＭＡＸ１５２的转换精度仅为８位，因此成本很低，而所产生的随机数足以满足一般对随机数性能的要求。仅采用Ｄ０即ＬＳＢ作为所生成的随机数，其产生速率亦可达１００Ｋｂｉｔ／ｓ以上。图５是一个简易而实用的随机数生成电路的示意图。
总之，本文描述了一种低成本、高性能的数据加解密硬件解决方案——ＰＣ加密卡。该卡采用性能价格比较高的ＤＳＰ芯片实现加密算法的运算，利用ＰＣＩ接口芯片、可编程逻辑芯片及Ｆｌａｓｈ ＲＯＭ等优化接口及逻辑设计。典型的分组密码加解密速度达Ｍｂｉｔ／ｓ，ＲＳＡ加解密在数十Ｋｂｉｔ／ｓ以上。由于其通用、高速及价廉的特点，具有很好的实际应用前景，尤其适用于构建在广域网或Ｉｎｔｅｒｎｅｔ上的中小规模网络各主机间的信息交换与传输。
STM32
MCU
通讯及无线技术
物联网技术
电子DIY
板卡试用
基础知识
软件与操作系统
我爱生活
小e食堂