基于TMS320VC5410和SLE5542型IC卡的DES

為了滿足信息安全和加密型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的密鑰的有效存儲，設計基于 TMS320VC5410系列DSP和SLE5542型IC卡的DES加密系統(tǒng)。采用MeBSPl接口與CD4066開關電源設計了IC卡讀卡器，并通過 CCS開發(fā)環(huán)境編寫、下栽和調(diào)試應用程序，完成了DSP與SLE5542卡之間的IS07816-3通信協(xié)議。另外通過McBSPO連接MAX232電平轉(zhuǎn)換器，以軟件形式實現(xiàn)了目標板從RS232接口接收來自PC機的明文數(shù)據(jù)，系統(tǒng)對其進行DES加密后輸出密文。實驗結(jié)果表明系統(tǒng)可以正確讀取IC卡中的 64位密鑰，完成數(shù)據(jù)加密后準確地顯示在接收端，符合設計要求。


??? 數(shù)據(jù)加密是為了保證所傳輸信息的安全而在特定參數(shù)(稱為密鑰)的控制下按照某種規(guī)律對原始數(shù)據(jù)進行的人為擾亂，將其轉(zhuǎn)換成秘密形式的信息。數(shù)據(jù)加密標準 (Data Encrvption Standard，DES)是第一個廣泛應用于商用數(shù)據(jù)保密的、公開的密碼算法，在其公布和正式實施后，成為許多國家政府、銀行和標準組織的信息安全處理標準。然而DES實現(xiàn)信息保密的前提是對于密鑰的有效管理，這就要求基于DES的加密系統(tǒng)必須提供可靠、方便的密鑰保存設備。同時在近20年，DSP處理器的性能得到很大改善，軟件和開發(fā)工具也得到相應發(fā)展，價格大幅下降，應用也越來越廣泛。本文選用TI公司TMS320VC54x系列DSP，采用軟件方式實現(xiàn)DES加密算法，同時以集成電路卡(Integrated Circuit Card)作為密鑰存儲設備。為了解決DSP的通用IO口較少的問題，使DSP片上的一些特殊功能引腳工作在通用輸入輸出引腳狀態(tài)顯得尤為重要。本文結(jié)合 DSP運算速度快、片上資源多的特點，研究并實現(xiàn)基于DSP的DES加密系統(tǒng)及其與IC卡以及終端PC機之間的通信協(xié)議。

1 DES算法簡介
??? DES作為美國國家標準的加密算法，既可用于加密又可用于解密。其加密過程主要分為3個部分，如圖1所示。首先把輸入的數(shù)據(jù)比特流以每64 bit為一組進行分組得到明文x，之后是一個初始置換，IP，記為Xo=IP(x)=LoRo(Lo代表左邊32 bit，Ro代表右邊32 bit)；然后以每一組作為加密單元，在16個子密鑰(每個子密鑰的長度為48 bit)的控制下根據(jù)下列規(guī)則計算LiRi(1≤i≤16)，進行16輪的非線性變換：
???
??? 每輪中都有換位和代替運算；最后再經(jīng)過一個逆初始置換IP-1(為IP的逆變換)輸出一組64 bit長的密文。


??? 對于數(shù)據(jù)較大的文件加密要求芯片具有很高的處理速度。出于保密通信系統(tǒng)的需求，該系統(tǒng)設計以IC卡作為密鑰的存儲設備，采用TI公司 TMS320VC54x系列DSP實現(xiàn)對來自PC機的明文數(shù)據(jù)進行DES加密處理。該方案運算速度快、保密性好，具有很高的可擴展性，用于保密的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，對來自數(shù)據(jù)采集模塊的信號進行DES加密后，傳輸給PC機。

2 系統(tǒng)硬件設計
??? 結(jié)合運算速度，外設接口以及性價比等方面的考慮，選用TI公司TMS320VC54x系列16位定點TMS320VC5410型DSP作為實現(xiàn)DES加密的硬件平臺。它具有較低的功耗與杰出的性能，時鐘最高頻率可以達到100 MHz。另外，TMS320VC5410片上提供了3個可以設置為GPIO接口的多通道緩沖串口(McBSP)，這對外圍設備接口子系統(tǒng)的設計至關重要。系統(tǒng)中除TMS320VC5410基本的工作外圍電路如電源晶振模塊、Flash模塊和JT-AG接口模塊以外，還主要包括以下2部分：1)TMS320VC541O與SLE5542型IC卡片的接口模塊，主要用于系統(tǒng)工作時IC卡向DSP傳送用于數(shù)據(jù)加密的密鑰和卡片存儲的其他一些用戶信息；2)DSP與PC主機的通信接口模塊，它是DSP與個人電腦的通信接口，主要用于DSP接收明文數(shù)據(jù)以及將加密后的數(shù)據(jù)反饋至PC機。
2．1 McBSP簡介
??? TMS320VC5410片內(nèi)包含了3個全雙工的多通道緩沖串口(Multichannel Buffered Serial Ports，McBSP)，分別為McBSP0、McBSPI和McB-SP2。它們可以提供全雙工通信、連續(xù)數(shù)據(jù)流的雙緩沖數(shù)據(jù)寄存器、接收和發(fā)送獨立的幀和時鐘，可以直接和系統(tǒng)中的其他器件接口連接并可以配置為通用IO口。McBSP與外設的數(shù)據(jù)交換，通過DX引腳發(fā)送，RX引腳接收。通信的時鐘與幀信號由CLKX、CLKR、FSX及FSR引腳來控制。T-MS320VC5410對McBSP的控制由2個16 bit的串口控制寄存器(SPCR[1，2])和引腳控制寄存器(PCR)來實現(xiàn)。DSP的CPU或DMA從數(shù)據(jù)接收寄存器(DRR [1，2])讀取接收數(shù)據(jù)；發(fā)送時，向數(shù)據(jù)發(fā)送寄存器(DXR[1，2])寫數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)寫入后通過傳輸移位寄存器(XSR[1，2])，移位輸出到DX 上。同樣，從DR上接收的數(shù)據(jù)，移位存儲到接收移位寄存器(RSR[1，2])，并復制到接收緩存寄存器(RBR[1，2])。然后，再由 (RBR[1，2])復制到DRR[1，2]。DRR[1，2]可以由CPU或DMA讀出。
2．2 DSP與IC卡連接模塊
??? 選用西門子公司SLE5542型卡片，其引腳定義和功能說明如表1所示。它是一種按字節(jié)操作的多存儲器邏輯加密卡，應答復位符合ISO78 16-3標準。該型卡片內(nèi)置了3個存儲器：32×1 bit的PROM型保護存儲器、256×1 bit的EEPROM型主存儲器以及32x1 bit的EEPROM型加密存儲器。主存儲器可重復擦除使用，按字節(jié)操作，并分為保護數(shù)據(jù)區(qū)和應用數(shù)據(jù)區(qū)，讀出均不受限制，但應用數(shù)據(jù)區(qū)的擦除和寫入則受加密存儲器中的密碼及密碼計數(shù)器保護。


??? 為了提高硬件的利用率和解決DSP片上通用IO口較少的問題，本系統(tǒng)設計將MeBSPI配置為通過IO口實現(xiàn)其與IC卡片通信的模塊。由于McB-SP引腳中的DX只能配置用作通用輸出腳，DR只能配置用作通用輸入腳，不方便程序編寫對引腳狀態(tài)控制。所以在DSP對卡片讀寫的硬件電路中選擇了MeBSP1 的FSR1、CLKR1、CLKX1、和FSX1這4個引腳，它們均可以通過16位的引腳控制寄存器(PCR)配置為通用I／O引腳。FSR1引腳通過 CD4066開關電源芯片來控制SLE5542卡片的上電與掉電；由CLKR1連接卡片的RST觸點，卡片復位時改變引腳的高低電平狀態(tài)；CLKX1引腳與IC卡片的時鐘觸點CLK相連，該引腳狀態(tài)的高低變化為卡片正常工作提供時鐘信號；FSX1連接卡片數(shù)據(jù)I／O觸點，負責DSP與IC卡片之間讀寫命令字和用戶有用數(shù)據(jù)的傳送。注意CLKX1和FSX1引腳要接上拉電阻，且FSX1配置的輸入或輸出狀態(tài)要根據(jù)DSP與IC卡之間數(shù)據(jù)流向而定。
??? 為了使McBSP1的相關引腳工作在系統(tǒng)需求的通用I／O狀態(tài)，首先需要將該串口的控制寄存器SPCR1中的RRST位和SPCR2中的XRST位均設置為‘O’，使串口復位，串口操作禁止。然后設置引腳控制寄存器PCR中的XIOEN和RIOEN為‘1’，使串口的接收和發(fā)送引腳均工作在通用I／0模式；另外將FSRM、CLKXM和CLKRM位均設置為‘1’，使FSR1、CLKX和CLXR引腳作為通用輸出管腳，將要輸出的值分別存儲在PCR中的FSRP位、CLKXP和CLKRP；對于FSXM位的設置，則需要根據(jù)通信時的具體情況而定。

2．3 DSP與PC通信模塊設計
??? 系統(tǒng)設計中選擇了McBSP0作為TMS320VC5410從外界PC機接收明文數(shù)據(jù)和輸出密文的通道，直接通過PC機的RS232異步串口與TMS320VC54 10之間進行加密解密數(shù)據(jù)的傳送。這種方法通過軟件實現(xiàn)PC機與DSP之間的串行雙工通信，它的硬件設計簡單且不會過多占用CPU的時間，
可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。
??? RS232異步串口采用負邏輯傳送數(shù)據(jù)，以10 V電壓狀態(tài)表示數(shù)據(jù)‘O’，-10 V電壓狀態(tài)表示數(shù)據(jù)‘1’；而DSP的IO口則以3．3 V表示高電平‘1’狀態(tài)或者無數(shù)據(jù)傳送，以0 V表示低電平‘O’狀態(tài)。因此為了使TMS320VC54lO的多通道緩沖串口與RS232接口進行通信，需要電平轉(zhuǎn)換電路，本文使用了MAXIM公司MAX232電平轉(zhuǎn)換器，如圖3所示。



3 系統(tǒng)軟件設計
??? 選用TI公司CCS(Code Composer Studio)作為該加密系統(tǒng)軟件設計時的開發(fā)和調(diào)試工具，使用C語言和匯編混合編程的模式完成軟件設計。由于C語言編程具有便于閱讀、維護、交流和可移植性好的特點，因此采用C語言完成整個程序的主框架設計，在對時間要求比較苛刻的地方或?qū)Υa運行效率有較大影響的場合采用匯編指令編寫。
3．1 DSP讀IC卡軟件實現(xiàn)
3．1．1 McBSP1串口配置
??? 當把卡片插入卡座時，狀態(tài)開關選通，并且電路板上提示燈亮表示插卡到位，DSP內(nèi)存中的讀卡狀態(tài)標志位設置為‘1’。TMS320VC5410開始初始化 McBSP1，使其工作在通用IO口狀態(tài)，采用子地址尋址的方式對SPCR11(映射地址為0049h，子地址為00h)、SPCR12(子地址為 01h)和PCR1(子地址為0Eh)等寄存器進行配置。配置代碼如下：
??? SPCR11=0x0000；
??? SPCR12=0x0000；
??? PCR1=0x3F00；
??? 此時FSR1、FSX1、CLKR1和CLKX1均用作通用輸出管腳。把PCR中的FSRP位設置為‘O’，PCR1＆=0xFFFB；則卡片Voc觸點電平為低，卡片處于掉電狀態(tài)；通過語句PCR1l=0x0004把FSR1引腳置高電平給卡片上電。
??? 由于DSP的FSX1引腳與卡片的數(shù)據(jù)I／O觸點相連，要求FSX1引腳具有雙向傳輸?shù)墓δ埽撘_在同一時刻只能處于輸入或輸出一種狀態(tài)，為此定義了以下兩個宏實現(xiàn)引腳在輸入與輸出狀態(tài)的改變。

3．1．2 復位與復位應答
??? DSP檢測到讀卡狀態(tài)位為‘1’時，給卡片上電，CLK(和RST保留于狀態(tài)L，開始運行讀卡程序?qū)⒖ㄖ写鎯Φ拿荑€讀取至內(nèi)存中。首先按照 ISO7816-3標準對SLE5542卡片進行應答復位，復位可以發(fā)生在操作過程的任意時刻。之后，RST線被置于H狀態(tài)，并維持至少15μs。在 RST狀態(tài)由高電平到低電平的轉(zhuǎn)換期間CLK提供一個時鐘脈沖，卡片內(nèi)的地址計數(shù)器(address counter)清零，I／O引腳輸出有效數(shù)據(jù)的第1位，這一數(shù)據(jù)可視為復位應答；在此后連續(xù)31個時鐘脈沖的作用下，主存儲器中的前4個地址中的32位標頭數(shù)據(jù)被讀出；下一個時鐘脈沖使I／O引腳變?yōu)楦咦锠顟B(tài)；此時卡片復位與復位應答完成。
3．1．3 DSP讀卡主程序設計
??? 圖4為DSP讀IC卡主程序設計?？ㄆ瑥臀粦鹬?，則處于等待指令輸入的狀態(tài)。SLE5542每個指令均由控制字節(jié)、地址字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)組成，傳輸時從控制字節(jié)的最低位開始?？刂谱止?jié)傳送完畢之后，依次傳送地址字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)，均為低位在前。每個指令的傳輸都開始于一個Start條件 (在時鐘信號為高電平狀態(tài)，通過DSP發(fā)送卡片IO口一個下降沿)，結(jié)束于Stop條件(在時鐘信號為高電平狀態(tài)，通過DSP發(fā)送卡片IO口一個上升沿)。根據(jù)指令作用的不同。SLE5542接收完成后可能處于數(shù)據(jù)輸出模式(DSP讀卡)或者內(nèi)部處理模式(DSP寫卡)。

通過TMS320VC5410發(fā)送讀卡命令和所要讀取內(nèi)容的地址(N=0，…，255)后，在CLK信號的作用下卡片將主存儲器中的數(shù)據(jù)按比特移至I／O 引腳發(fā)送至DSP內(nèi)存中。讀取數(shù)據(jù)完成后，額外的一個時鐘信號將使I／O引腳變?yōu)楦咦锠顟B(tài)，卡片退出輸出模式等待接收新的指令，也可以用Break條件 (在CLK為低時，把RST信號由低電平變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài))結(jié)束此次操作。


??? 圖5顯示了TMS320VC5410對SLE5542卡片讀卡程序的調(diào)試結(jié)果，為了驗證讀卡功能的實現(xiàn)，系統(tǒng)讀取了卡片中的所有字節(jié)的內(nèi)容。其中前8個字節(jié)為‘A2131091FFFF8115’為IC卡的廠商標識；之后地址8～20的13個字節(jié)全為‘FF’是寫保護區(qū)；地址21～26是6個字節(jié)的用戶代碼‘D27600000400’，之后又是5個字節(jié)的寫保護區(qū)；從地址32～255之間的數(shù)據(jù)是用戶數(shù)據(jù)區(qū)，可以在這些地址里存放加密系統(tǒng)的密鑰和其他的用戶信息。
3．2 PC通信軟件設計
3．2．1 MeBSP0的初始化配置
??? 首先通過SPCR1O=0x0000，SPCR20=Ox0000把RRST與XRST位設置為‘O’，使串口復位。設置PCR0=0x0BOC；采樣率由DSP內(nèi)部產(chǎn)生，接收與發(fā)送幀同步信號為低有效，時鐘上升沿發(fā)送數(shù)據(jù)、下降沿接收數(shù)據(jù)。其次通過接收控制寄存器RCR1O(子地址為02h)和 RCR20(子地址為03h)來對DSP串口接收模式進行設置，令RCR10=0x0940；RCR20=0x0004；接收幀長度10字、每字16 bit，忽略除第一個幀同步后的其他幀同步信號。通過傳輸控制寄存器XCR10(子地址為04h)和XCR20(子地址為05h)來對DSP串口發(fā)送模式進行設置，令XCR10=0x0940；XCP20=0x0004；使數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收模式一致。另外，采樣率發(fā)生器控制寄存器SRGR10(子地址為 06h)和SRGR20(子地址為07h)控制采用率發(fā)生器的工作模式。本系統(tǒng)中選擇PC機的串口工作波特率為38 400，采樣率發(fā)生器計算公式為：
??? CLKGDV=CPU工作頻率／(16x波特率)-1
??? 由于TMS320VC5410工作頻率為100 MHz，因此CLKGDV=100 000 000／(16x38 400)-1=161，設置SRGR1=0x00A1，SRGR2=0x2000；最后通過SPCR1=0x0001，SRGR2=0x2000；對串口使能，處于可操作狀態(tài)，至此完成了McBSPO的初始化配置。
3．2．2 數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一
??? DSP通過McBSP0接收外界PC機數(shù)據(jù)采用中斷方式。這里為了實現(xiàn)TMS320VC5410同步串口與PC機異步串口通信時數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一，把 McBSP的1個16位字等效為PC機串口傳送的1個8N1模式數(shù)據(jù)(1個起始位+8個數(shù)據(jù)位+1個停止位)的1位。PC機串口每發(fā)送1個位的數(shù)據(jù)，DSP采樣16次暫存數(shù)據(jù)接收寄存器DRR10(地址為21h)中。例如PC機通過RS232串口傳送數(shù)據(jù)為‘1’，則DRR10經(jīng)過16次采用后接收一個字的數(shù)據(jù)為‘FFFFh’，同理若前者后‘0’，則后者為‘0000h’。之后觸發(fā)McBSPO串口接收中斷，DSP執(zhí)行中斷服務程序?qū)RR1O 中的有效數(shù)據(jù)(除去起始位和停止位)取走至內(nèi)存中，并對計數(shù)器加1。當接收到一個完整的幀后，DSP置串口數(shù)據(jù)解碼標志位為‘1’，DSP開始運行解碼程序，將‘FFFFh’和‘0000h’分別等效為一個比特位‘1’和‘0’，從而恢復出原始的數(shù)據(jù)幀。
??? 當DSP對接收到的數(shù)據(jù)完成加密之后需要反饋輸出，TMS320VC5410串口數(shù)據(jù)向PC機發(fā)送的過程與數(shù)據(jù)接收的過程正好相反。每幀數(shù)據(jù)都需要進行串口編碼之后通過數(shù)據(jù)發(fā)送寄存器DXR1O(地址為23h)發(fā)出。即把8位有效數(shù)據(jù)中的‘0’編碼為‘0000h’，‘1’編碼為‘FFFFh’，按照從低位到高位的順序重新排列編碼后的數(shù)據(jù)，并在幀首和幀尾分別添加起始位‘0000h’和結(jié)束位‘FFFFh’，將每組10個數(shù)據(jù)作為一幀信號發(fā)出。


??? 圖6顯示了本文設計的加密系統(tǒng)的實驗結(jié)果。通過PC機和RS-232串口發(fā)送字符‘11112222’的十六進制形式為‘3131313132323232’共64 bit，TMS320VC5410接收到64 bit明文數(shù)據(jù)后，通過讀取IC卡中的64 bit密鑰‘310000000000031’并對明文進行DES加密后，輸出密文的十六進制形式為‘96B466D634DE9A2D’。結(jié)果顯示系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，符合設計要求。

4 結(jié)論
??? 本文采用SLE5542型IC卡存儲密鑰，TMS320VC5410中的McBSP引腳與卡片觸點連接并實現(xiàn)對卡片的應答復位和內(nèi)容的讀取，同時通過RS2 32串口與個人PC機實時交換數(shù)據(jù)，接收PC機發(fā)送的明文并對其DES加密后反饋輸出。由于McBSP的工作機制是同步串口，把其當作通用I／O口和異步串口使用時必須注意內(nèi)部寄存器的設置和輸入輸出方向的設定。經(jīng)軟硬件調(diào)試，實驗結(jié)果表明該方案完全可以滿足大數(shù)據(jù)量的加密，合理使用了硬件資源，可以進一步升級擴展作為數(shù)據(jù)采集保密系統(tǒng)的加密模塊。