基于蜂鳥E203 RISC-V處理器內(nèi)核的SoC設(shè)計(jì)

杯賽題目：基于蜂鳥E203 RISC-V處理器內(nèi)核的SoC設(shè)計(jì)
參賽要求：研究生組/本科生組
賽題內(nèi)容：
基于芯來科技的開源蜂鳥E203 Demo SoC進(jìn)行擴(kuò)展，在限定的可編程邏輯平臺上構(gòu)建面向?qū)Ｓ脩?yīng)用領(lǐng)域（譬如人工智能、信息安全、工業(yè)控制等）的SoC，進(jìn)而完成一定實(shí)際應(yīng)用。要求在所搭建的SoC中實(shí)現(xiàn)專門的硬件加速器以提高系統(tǒng)整體性能，所實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)具有創(chuàng)新性、實(shí)用性以及市場應(yīng)用前景。

團(tuán)隊(duì)介紹

參賽單位：電子科技大學(xué)
隊(duì)伍名稱：第N隊(duì)
指導(dǎo)老師：路志剛
參賽隊(duì)員：朱俊宛、羅揚(yáng)、岳修立
總決賽獎項(xiàng)：三等獎

1. 項(xiàng)目簡介

隨著信息化和數(shù)字化社會的發(fā)展，人們對信息安全和保密的重要性認(rèn)識不斷提高，信息加密算法也在不斷的發(fā)展進(jìn)步之中。SM4密碼算法是國家密碼管理局正式的《祖沖之序列密碼算法》等6項(xiàng)密碼行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之一。本項(xiàng)目基于開源E203處理器在FPGA開發(fā)板上對國產(chǎn)密碼算法SM4算法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化，并實(shí)現(xiàn)了對字符串的加密與解密。

1.1 系統(tǒng)框架

系統(tǒng)控制端通過串口通信FPGA開發(fā)板發(fā)送命令：操作類型（加密解密）、操作數(shù)據(jù)（明文密文）、密鑰。FPGA上的E203 SoC接收來自控制端的命令并運(yùn)行硬件加速后的SM4算法程序進(jìn)行處理，處理后的結(jié)果通過串口通信返回給控制端，如下圖所示。

1.2 SM4算法原理

1.2.1 概述

SM4算法是一種分組密碼算法。其分組長度為128bit，密鑰長度也為128bit。加密算法與密鑰擴(kuò)展算法均采用32輪非線性迭代結(jié)構(gòu)，以字（32位）為單位進(jìn)行加密運(yùn)算，每一次迭代運(yùn)算均為一輪變換函數(shù)F。SM4算法加/解密算法的結(jié)構(gòu)相同，只是使用輪密鑰相反，其中解密輪密鑰是加密輪密鑰的逆序。
SM4算法的整體結(jié)構(gòu)如圖：

1.2.2 輪函數(shù)

整體的加密函數(shù)F為：
x(i+4)=F(x(i),x(i+1),x(i+2),x(i+3),rk(i))=x(i)?T(x(i+1)?x(i+1)?x(i+2)?x(i+3)?rk(i))
其中T為一個(gè)合成置換，由非線性變換S和線性變換L復(fù)合而成,如下圖。

非線性變換S由具有256個(gè)固定的8bit數(shù)據(jù)的S盒構(gòu)成，S盒的數(shù)據(jù)均采用16進(jìn)制。輸入的8bit數(shù)據(jù)作為S盒中地址的索引，地址中所包含的8bit數(shù)據(jù)即為S盒的輸出。非線性變換S函數(shù)表達(dá)式可以表示為：
B=(b1,b2,b3,b4)=S(A)=(sbox(a1),sbox(a2),sbox(a2),sbox(a2))
線性變換L的公式如下：
C=L(B)=B?(B?2)?(B?10)?(B?18)?(B?24)
其中B為非線性變換得到的字。

1.2.3 輪密鑰

已知加密密鑰：MK=(MK0,MK1,MK2,MK3)，系統(tǒng)參數(shù)：FK=(FK0,FK1,FK2,FK3) ，固定參數(shù)：CK=(CK0,CK1,??,CK31) 。
輪密鑰rki即為密鑰擴(kuò)展的結(jié)果，由加密密鑰擴(kuò)展生成，過程如下：
首先：
(K(0),K(1),K(2),K(3))=(MK0?FK0,MK1?FK1,MK2?FK2,MK3?FK3)
然后對于i=0,1,??,31:
rk(i)=K(i+4)=K(i)?T'(K(i+1)?K(i+1)?K(i+2)?K(i+3)?CK(i))
其中變換T'與輪函數(shù)的T變換基本相同，只是將其中的線性變換L改為：
L'(B)=B?(B?13)?(B?23)

1.3 協(xié)處理器加速設(shè)計(jì)

1.3.1 軟硬件功能劃分

硬件功能：利用協(xié)處理器實(shí)現(xiàn)SM4算法中的密鑰拓展過程與加解密過程。
軟件功能：調(diào)用協(xié)處理器實(shí)現(xiàn)密鑰拓展過程與加解密過程，并對過程進(jìn)行控制。

1.3.2 狀態(tài)轉(zhuǎn)換

根據(jù)SM4算法原理及軟硬件功能劃分，六個(gè)狀態(tài)，分別為初始狀態(tài)（IDLE）、密鑰加載狀態(tài)（SKEY）、密鑰拓展?fàn)顟B(tài)（KEY）、輸入加載狀態(tài)（SDAT）、加解密運(yùn)算狀態(tài)（DAT）、輸出返回狀態(tài)（PDAT）。
當(dāng)有相應(yīng)的指令標(biāo)識位置1時(shí)，狀態(tài)機(jī)將從初始狀態(tài)進(jìn)入相應(yīng)的指令狀態(tài)。當(dāng)相應(yīng)的狀態(tài)完成標(biāo)識位置1后，狀態(tài)機(jī)將從相應(yīng)的指令執(zhí)行狀態(tài)進(jìn)入初始狀態(tài)。狀態(tài)轉(zhuǎn)換單元示意圖如下。

1.3.3 數(shù)據(jù)運(yùn)算

數(shù)據(jù)運(yùn)算部分主要是在根據(jù)協(xié)處理器當(dāng)前的狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算操作以實(shí)現(xiàn)SM4算法。數(shù)據(jù)運(yùn)算單元示意圖如下。

1. 當(dāng)處于密鑰加載狀態(tài)（SKEY）時(shí)，協(xié)處理器會將CPU送過來的與系統(tǒng)參數(shù)FK異或過的初始密鑰k0、k1、k2、k3加載到下方4個(gè)寄存器中。
2. 當(dāng)處于密鑰拓展?fàn)顟B(tài)（KEY）時(shí)，k0、k1、k2、k3會進(jìn)行32輪非線性迭代運(yùn)算，在迭代過程中生成k4-k35,即輪密鑰rk0-rk31,并存儲到rk控制模塊之中。
3. 當(dāng)處于輸入加載狀態(tài)（SDAT）時(shí)，協(xié)處理器會將CPU送過來的初始輸入x0、x1、x2、x3加載到上方4個(gè)寄存器中。
4. 當(dāng)處于加解密運(yùn)算狀態(tài)（DAT）時(shí)，x0、x1、x2、x3會進(jìn)行32輪非線性迭代運(yùn)算，會根據(jù)此時(shí)源操作數(shù)1的值決定輪密鑰rki的使用順序，為0對應(yīng)于加密操作，為1對應(yīng)于解密操作。迭代過程完成后將得到x31、x32、x33、x34，即運(yùn)算結(jié)果。
5. 當(dāng)處于輸出返回狀態(tài)（PDAT）時(shí)，協(xié)處理器會通過結(jié)果反饋通道nice_rsp_rdat將運(yùn)算結(jié)果返回給CPU。

2. 仿真與測試

2.1 功能仿真

2.1.1 SM4算法純軟件實(shí)現(xiàn)功能仿真

vivado仿真波形：

Tcl控制臺結(jié)果：

2.1.2 SM4算法協(xié)處理器加速實(shí)現(xiàn)功能仿真

vivado仿真波形：

Tcl控制臺結(jié)果：

2.1.3 協(xié)處理器加速效果

對比兩次仿真結(jié)果得到，協(xié)處理器對SM4算法的加速效果為：28520 / 337 = 84.6（倍）

2.2 整體測試

整體測試的實(shí)物連接如圖

2.2.1 字符串加密

對字符串“Xinlai RISC-V Cup”進(jìn)行加密，密鑰為：0x1234578 1234578 1234578 1234578。結(jié)果如圖。

2.2.2 字符串解密

將加密得到的密文 0x93677fad 32fc552f 760780b7 94b627cd 2a694043 86f3992f 2dad6065 0c4f1b48 進(jìn)行解密操作，結(jié)果如圖。得到解密結(jié)果為：“Xinlai RISC-V Cup”。驗(yàn)證了加密結(jié)果的正確性，完成了對字符串的加密解密，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的預(yù)設(shè)功能。

3. 參賽體會

3.1 參賽感受

在三個(gè)多月的學(xué)習(xí)與實(shí)踐之中，經(jīng)過VERLIOG的學(xué)習(xí)、VIVADO的使用、FPGA開發(fā)板的學(xué)習(xí)、RISK_V的學(xué)習(xí)、E203 SoC的移植、SM4算法的學(xué)習(xí)、協(xié)處理器的學(xué)習(xí)與應(yīng)用等過程，基本完成了基于E203 處理器內(nèi)核的SM4算法硬件加速。從一個(gè)剛開始學(xué)習(xí)的小白，一步步摸索前進(jìn)。在不斷遇到問題，解決問題的過程中，加深了對集成電路行業(yè)的理解，提升我們的軟件設(shè)計(jì)能力。
集創(chuàng)賽作為全國性的頂尖賽事，匯集了來自全國各地各高校的優(yōu)秀大學(xué)生。讓我們在比賽過程中能夠與如此多優(yōu)秀的同齡人同臺競技，相互交流，極大拓展了自己的視野與能力。非常感謝集創(chuàng)賽賽事組委會的工作人員和老師們的組織與付出，讓我們有機(jī)會參與到這樣一個(gè)充分展示風(fēng)采的平臺。

3.2 后續(xù)計(jì)劃

1.加入其他算法（例如SM3算法）進(jìn)行交互，進(jìn)一步提升其加密效果。
2.對輸入，輸出及控制系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化與拓展，使用上位機(jī)來傳輸數(shù)據(jù)流和控制。

審核編輯 ：李倩

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