EDA硬件加密电路设计.docx
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EDA硬件加密电路设计
学号：
能力拓展训练
题目
硬件加密电路设计
学院
自动化
专业
自动化
班级
姓名
指导教师
2013年08月30日
课程设计任务书
学生姓名：
专业班级：
自动化1004班
指导教师：
工作单位：
自动化学院
题目:
硬件加密电路设计
能力拓展训练的内容和要求：
根据专业培养计划，本环节安排在第六学期的暑假进行，为期一周。
基础强化训练的选题范围规定如下：
1.利用CPLD/FPGA器件实现简单的计算机逻辑接口电路（如地址译码电路、硬件加密电路等）；
2.基于可编程逻辑器件（CPLD或FPGA）实现DSP功能。
通过训练，使学生掌握相关的理论知识及实际处理方法，熟练使用常用EDA工具（如QuartusⅡ、Matlab/DSPBuilder等）和硬件描述语言（如VerilogHDL等）设计所需应用程序、上机调试、模拟仿真、下载到目标芯片上运行验证，并对实验结果进行理论分析。
说明书与图纸要求：
训练完成后，按学校“课程设计工作规范”中的“统一书写格式”，撰写总结报告一份，包括：
训练题目、训练要求、设计分析、总体电路、模块设计、模块程序、仿真波形、结果分析、心得体会（不少于500字）、参考文献（不少于5篇）。
能力拓展训练的进度安排：
序号
设计内容
所用时间
1
对选定的设计题目进行原理分析
1天
2
设计程序框图，编写程序代码
1天
3
上机模拟调试，修改并完善设计，下载到芯片上运行验证
2天
4
完成设计报告，进行答辩
1天
合计
1周
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
目录
摘要1
1、设计任务及要求2
2、设计步骤3
2.1功能分析3
2.2硬件设计及波形分析3
2.3设计小结7
3、课程设计体会8
4、参考文献9
本科生课程设计成绩评定表10
摘要
电子技术经历了分立元件到集成芯片再到大规模可编程逻辑器件的高速发展历程，CPLD/FPGA器件的问世使片上系统的实现成为现实，SOC、SOPC技术代表了未来电子技术重要的发展方向，其中，电子设计自动化（EDA）技术起着支撑的作用。
采用EDA技术，可以基于可编程逻辑器件（CPLD或FPGA）重构片上系统（SOC），从而达到开发高性能电子产品的高效化、低成本化、灵活化。
EDA设计技术的不断进步与完善，不仅给电子系统的设计和应用带来了新的设计思路和发展机遇，也对传统的电子系统设计手段提出了严峻的挑战。
掌握EDA设计技术已成为本专业大学生必备的能力之一。
因此通过EDA设计技术的学习与强化训练，使学生迅速掌握并有效利用这一新技术，以提高学生的实践动手能力、创新能力和计算机应用能力是非常有必要的。
本文通过设计硬件加密电路，即输入一个字的数据，输出加密后的数据，加密映射关系自定，充分利用EDA设计工具QuartusⅡ，使用硬件描述语言VerilogHDL或VHDL等硬件描述语言，对电子设计及其自动化和数字电子技术等自动化专业的核心课程的内容加以巩固，从而达到能力提高的目的。
关键字：
CPLD/FPGA、EDA、QuartusⅡ、VerilogHDL、VHDL
硬件加密电路的设计
1、设计任务及要求
设计任务：
硬件加密电路设计：
输入一个字的数据，输出加密后的数据，加密映射关系自定。
必须用CPLD或FPGA完成，用硬件描述语言设计时序逻辑关系，完成时序仿真图，并按大纲的要求完成。
设计要求：
学习QuartusII软件，软件设计要求：
1.建立项目，选择元件
2.元件调入，加输入输出引脚
3.设计原理图
4.编译电路
5.建立波形文件
6.波形仿真
7.了解引脚分配，电路下载
实践设计要求：
1、根据所选题目，在QuartusII软件中设计原理图。
2、实现所设计电路的局部仿真和总体仿真。
2、设计步骤
本设计大致可分为三个步骤：
功能分析、硬件设计和系统的运行调试。
2.1功能分析
古典加密电路可以实现的功能如图1所示：
图1古典加密电路功能图
电路实现对并行输入明文为一个字即16位的二进制序列，用16位二进制密匙进行加密（密钥为输入信号乘133的16位二进制数。
），加密以后再串行传输，串行解密后，串行输出。
以输入48为例：
K=（48*133）10=（6384）10=（0001100011110000）2
2.2硬件设计及波形分析
1设计方案
电路总体由P0----P15并行输入每一个字16位二进制数据，每一位数据用一个异或门加密，并行传输到接收端，再由16选1数据选择器控制，一位一位地串行输出，在经过一个异或门解密，可得到串行输出的二进制数据。
每一字节数据输入后，用四个74161芯片的输出端保持，直到16位数据处理完毕，再接收数据的输入。
如此循环，便可连续传输数据。
2设计过程：
首先，我们先做了一个一位的数据加密传输系统，实现了对单位数据的加密传输。
加密与解密主要依据异或门的这一性质：
（M
K）
K=M。
如图2所示：
图2加密与解密原理图
我们打算让16位的数据并行输入与加密，经过两个16选1数据选择器将并行加密的数据M与密匙K一位一位相对应地选出来，再解密输出。
于是我们先设计出了16选1数据选择器。
如图3所示：
图316选一数据选择器
接着我们对16选1数据选择器的进行仿真：
输入P=（0101010101010101）2，输出Out是一个方波。
如图4所示：
图416选一数据选择器仿真波形
然后，将16选1数据选择和上一个电路组合起来，可以实现对一帧16位数据的加密传输。
电路如图5所示：
图516位数据的加密传输
最后，在输入端加4个74161控制数据一帧一帧地输入,从而实现一个完整的数据加密传输系统。
电路图如图6所示：
图6完整的数据加密器
对上图所示完整的数据加密，解密系统进行波形分析如下：
图7所示：
电路的加密密匙是K=（0001100011110000）2，电路的输出是一个占空比为50%的方波，而电路的输入是P=（0101010101010101）2。
图7完整数据加密器波形1
该图的密匙K不变，输入变为P=（1111111011001000）2，输出如图8所示，输入与输出一致。
图8完整数据加密波形2
2.3设计小结
这只是一个简单的加密电路，如果要考虑芯片的延时，要实现以上功能所用的芯片必须是高速的，否则电路可能因为延时造成输出紊乱。
这样的同步问题出现在下面的情况中：
当第16个上升沿方波脉冲输入时16选1数据选择器的CO端输出一个高电平，经过一个非门反馈到输入控制端的LD端，使其处于高电平；在这一上升沿方波脉冲和LD端的高电平使74161处于接受输入的状态，输入端打开，新的16位数据输入，再来一个上升沿方波脉冲，数据输入控制端的161芯片转换到保持状态。
这以过程的同步很重要。
由于一个周期只能传输一帧16位数据，所以输入端数据的输入周期为16个脉冲周期，即：
每经过16个脉冲周期才能传输一帧数据。
3、
课程设计体会
通过本次课程设计，我收获很大，不但对《电子设计及其自动化》这门课程的内容有了更深的理解，同时也从各个方面锻炼了自己，使自己得到了提升。
以下是我感受深刻的几点体会。
通过此次课程设计，我提升了自己的独立自主的学习能力。
这次课程设计我做的是硬件加密电路的设计。
在开始之前我通过各种途径在图书馆、网上查找并认真阅读相关材料，确定自己对芯片、要实现的功能、主体的设计架构有了比较清楚地了解之后确定好自己的方案，对自己的设计有了一个大概的思路。
通过画硬件连接图，我提高了自己的分析解决问题的能力，并且使自己所学的知识与具体的生活实践相结合，应用到实践当中。
在课程设计的过程中遇到了一些知识的漏洞和一些难题，但通过查找资料，克服了这些问题，提高了自己在实际当中解决问题的能力。
我想这也是老师设计该题目的用意之一。
通过此次课程设计，我巩固了之前学过的知识。
设计中涉及到的内容涵盖了《电子设计及其自动化》、《数字电子技术》这两门课程的核心知识点，需要我们学会将学过的理论知识融会贯通，同时，我也明白了，理论只有在不断的实践中才更能得到巩固和加深。
于是，在分析、撰写报告的同时，我不断地翻阅书籍和各种参考资料，从而使自己对书本上的知识有了更好的掌握，有些以前没有理解的知识也得到了解答，收获很大。
通过此次课程设计，激发了我的学习兴趣。
通过本次课程设计，我不仅加深了对EDA技术的认识，而且对硬件描述语言的实际运用能力也得到了提高。
我还充分理解了学习数字电子技术的重要性，进一步掌握了QuartusII软件的使用和简单加密解密过程。
本次课程设计让我们从课本的理论知识联系了实际运用，也使我们知道了理论知识的重要性，深刻体会到实际运用是对理论知识的升华，这对我们以后的学习将会有深厚的影响。
4、
参考文献
1、毕满清等.电子技术实验与课程设计.太原：
机械工业出版社.2000.
2、韩炎.数字电子技术.北京：
电子工业出版社.2010.
3、包明.EDA技术与可编程逻辑器件的应用.北京：
北京航空航天大学出版社.2007.
4、仇佩亮.信息论与编码.北京：
高等教育出版社.2003.
5、江国强.《SOPC技术与应用》.北京.机械工业出版社.2006年10月
本科生课程设计成绩评定表
姓名
性别
专业、班级
自动化
课程设计题目：
硬件加密电路设计
课程设计答辩或质疑记录：
成绩评定依据：
序号
评定项目
评分成绩
1
选题合理、目的明确（10分）
2
设计方案正确，具有可行性、创新性（20分）
3
设计结果（例如：
硬件成果、软件程序）（25分）
4
态度认真、学习刻苦、遵守纪律（15分）
5
设计报告的规范化、参考文献充分（不少于5篇）（10分）
6
答辩（20分）
总分
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
2013年08月30日
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