基于APB总线的SM4密码协处理器实现（附Verilog代码）

本文内容摘要
理论依据和设计内容
- SM4分组密码算法
- APB_slave协处理器
测试过程与结果
- 调试经历
- 测试结果
- - SM4.0部分测试
  - APB协处理器部分测试
整体代码

本文内容摘要

本文使用Verilog语言实现SM4加密协处理器：

使用Verilog完成SM4基本模块；
定义所需寄存器，添加APB总线接口，完成兼容APB总线的SM4协处理器设计；

理论依据和设计内容

SM4分组密码算法

基于《信息安全技术 SM4分组密码算法》清晰规定了SM4.0的算法流程。SM4.0算法利用分组加密，分组的长度和密钥长度均为128bit。该算法由密钥扩展算法与加密(解密)算法两部分构成，均采用非线性迭代结构，其加密与解密算法具有相同的结构，只是对输入轮密钥进行反序变换。下面我只对加密的算法进行解读：
首先，需要进行输入密钥的分区，将128bits的密钥输入划分到四个32bits的数组中，此处我采用四个32bits数组拼接并赋予密钥输入值实现。这一步后，开始进行密钥扩展算法，它通过一系列变换生成一组32位的轮密钥。在介绍如何扩展产生轮密钥之前，先介绍几个关键的变换和函数：

轮函数，其定义为F(X0,X1,X2,X3,rk)=X0^T(X1X2^X3rk)，即输入为明文和密钥，输出为密文，该函数用于加密中。
合成置换函数，其中由两个变换，分别为线性变换和非线性变换。非线性变换为(b0,b1,b2,b3)=(Sbox(a0),Sbox(a1),Sbox(a2),Sbox(a3))，即输入四个8bits的信号，输出查找表后的四个8bit拼接成的32位数据。在得到这个32位数据输出后，要进行下一轮的线性变换，这个变换有两种，一种用于产生轮密钥，其为LN(B)=B^(B<<13)(B<<23)；另一种为L(B)=B^(B<<2)(B<<10)^(B<<18)(B<<24)，其用于最终产生密文。整个过程需要使用三个常参数矩阵CK,Sbox和FK。

光说很难理清整个SM4.0算法的原理流程，下面将画出算法流程图（结合我最终的代码结构画图）：
SM4.0算法流程图如下图所示。

在理解了SM4.0算法的原理和流程后，开始了代码的编程。
最开始的模型我设计的输入仅有明文、密钥、时钟和复位，输出为密文，此模型仅用于编写成正确的SM4.0算法。
首先我在两个always块中分别进行了轮密钥的生成和明文加密，最开始所需要用的两个线性变换我都编写了function，想在always里直接调用函数进行运算，但在调整逻辑后仿真失败，难究问题所在，于是我摒弃了函数的方式，且函数较为简单我就直接在always里进行运算，这两个模块都较为容易的的实现了。然后又在第三个always块里建立了一个计数器，用于32轮轮密钥和密文的计算。对于三个常参数矩阵的初始化，这是三个二维数组，我建立了第四个always块，在其中逐个地址位赋参数，初步完成四个always块完成了SM4.0算法的设计。
在正确完成了算法加密计算后，我又添加了两个输入，分别为输入密钥的有效和输入明文的有效，只有是有效信号时才读入进行计算。并添加了一个状态输出，在没有进行加密时标志位高电平，而在计算过程中输出为低电平。到此，完成了SM4.0基本模块的全部设计。
SM4.0基本模块框图如下：

APB_slave协处理器

本部分是用来设计一个可以用来兼容APB总线的SM4加密协处理器，用来将SM4.0加密模块与APB总线进行对接，使总线发送来的数据可以正常写入并进行加密后并由总线读取。具体可参考之前博客APB总线部分，本文也会给出适用于SM4.0的总线代码。
为了满足apb总线的输入，因此要将apb_slave的输入和输出设置成与总线一致，因此在输入端设置了PSELx（用于在通讯时选择从设备）、PENABLE（APB使能信号，用来指示一次APB传输的第二个时钟周期）、PCLK（APB总线时钟信号，上升沿有效）、PRESETN（APB总线复位信号，低电平有效）、PWRITE（APB写指令信号，高电平为写，低电平为读）、PADDR（APB总线读写地址，最高为32位）、PWDATA（APB总线写数据，最高为32位），SM4_DATA（SM4加密后数据输入端，用来将数据存储起来，以便在apb总线读数据的时候输出），在输出端设置了text_isvaid和mk_isvaid两个输出，用于表示已经接收完毕总线所发送来的数据，此时可以进行加密运算，在输出端设置了两个128位的数据线，用来传输明文以及密钥至SM4模块。
总体框架图
设计完所需要的输入输出之后，便可进行内部设计。由于总线是32位宽，而SM4加密模块是128位明文输入、128位密钥输入、128位密文输出，因此要使用4个32位寄存器，改变总线地址，让数据分别写入4个32位地址之中，并且将数据合并成为128位输出至加密模块进行加密后再以32位数据的方式存储至APB_slave中。
总线程序流程图如下图所示：

测试过程与结果

调试经历

在参考了《信息安全技术 SM4分组密码算法》后，我在激励文件中也赋予示例中的测试值，在modelsim中进行调试，加入观察所有变量的波形和值，找到不对的位置再找到对应代码位置，思考为何出错并调整，一步一步调试，观察几个rom中的值、cnt计数等，返再回纠错，再调试。最终完成了modelsim的验证，确定了算法语法和代码逻辑的正确性。然后我将代码放入Quartus中进行编译，借此检查是否有硬件逻辑错误，其中有一个if造成了锁存，修正后联合Modelsim仿真正确，完成模型的验证。
若要验证APB协处理器是否正确，则应该模拟APB总线的工作条件，设定正确的时序，给出协处理器地址和应写入的数据，观察波形图数据是否正确写入，然后在观察经过加密后的数据是否能够正确读出，与标准加密码表进行对比，观察结果是否正确，并且查看波形图时序，查看逻辑是否正确。在这种思路之上，针对协处理器写出了测试文件，具体测试结果可见后文验证部分。

测试结果

SM4.0部分测试

下图可以看到，当密钥和明文输入有效指令到来后，加密模块开始进入加密过程，且输出状态置为低电平。在计算完成后输出128位密文，同时输出状态置为高电平表示空闲。密文结果与《信息安全技术 SM4.0分组密码算法》给的测试结果对比正确无误，即代表SM4.0加密正确。
当新值输入后，但没有输入有效信号读入，即不是想要的加密信号，加密模块不进入加密过程，输出不变无新值。
Modelsim测试波形图

APB协处理器部分测试

在Quartus II中建立工程，并将所有HDL文件导入后进行编译，编译后无错误，利用软件生成了硬件RTL图如下图所示，可以看出与设计相符，硬件模型搭建基本正确。
随后进行波形的仿真验证，利用Quartus II软件联合modelsim进行仿真测试，将top_level_tb.v文件导入后，生成了如下测试波形图。
仿真的目的是，能够不断的向总线内写入:
32’h01234567,32’h89ABCDEF,32’hFEDCBA98,32’h76543210,32’h01234567,32’h89ABCDEF,32’hFEDCBA98,32’h76543210
地址分别对应:
32’h00,32’h04,32’h08,32’h0c,32’h10,32’h14,32’h18,32’h1c
下面图1为协处理器写入前4组数据，即128位明文的波形图，图2为协处理器写入后4组数据，即128位密钥的波形图，可以看出来在地址有效时，同时PELx和PWRITE信号有效，延时一个时钟周期后，PENABLE有效，此时开始向协处理器内写入数据，并且在数据传送完成后，PELx、PWRITE、PENABLE均变为0，此时地址变为下一个地址，随机进行下一轮数据传输。
128位明文的波形图
128位密钥的波形图
下图为协处理器读出加密后的密文的波形图，可以看出来在地址有效时，同时PELx有效，PWRITE信号为0，延时一个时钟周期后，PENABLE有效，此时协处理器开始读出数据，并且在数据传送完成后，PELx、PWRITE、PENABLE均变为0，此时地址变为下一个地址，随机进行下一轮数据传输。读出的密文数值为68 1e df 34 d2 06 96 5e 86 b3 e9 4f 53 6e 42 46,用此数据与国密标准进行对照，发现结果正确，验证协处理器的正确性。
协处理器读出加密后的密文的波形图