摘  要

随着信息产业在我国国民经济中扮演越来越重要的角色，信息技术的发展和数据传输的安全性受到了有关部门的重视，加强网络信息安全的加密产品具有广泛的应用前景。此课题主要研究了基于ATAES132硬件描述语言的AES加密算法原理及优化，以及设计硬件实现。

   本文先介绍了先进加密算法(AES)的原理，同时讲述了其与Rijndael设计的异同。安全，高效，易拓展优化，硬件实现简单是其的特点，同时，本文还研究了算法实现的关键技术。在设计过程中，完成了整体结构的规划和各部分的端口的定义，用ATAES132语言完成了电路的RTL级的描述，同时使用了Model公司的Modelsim仿真工具进行了软件平台 上的仿真，实现了128位比特密钥的加密解密的逻辑功能，硬件上使用了基于Xilinx公司的CycloneTV系列芯片，并用NIOS II软件进行了FPGA综合，仿真基本达到了要求，这也证明了设计的正确性。在设计中尤其要提到的是本文采用了ECB（电子密码本）加密算法模式，采用流水线结构，提高了电路的工作频率和速度，本设计的创新点在于用语言实现S盒变换时，并没有采用传统的查表方式，而是直接采用了算法描述，相较之下，节省了电路的存储面积，实现了优化。

关键字： ATAES132, AES，先进加密标准，Rijndael设计，FPGA，加密，高速，流水线结构 

 Abstract

With the information industry playing a more and more important role in the national economy of our country, the development of information technology and the security of data transmission have received the attention of relevant departments. Encryption products that enhance the security of network information have a wide application prospect. This paper mainly studies the principle and optimization of AES encryption algorithm based on ATAES132 hardware description language and the design of hardware implementation.

This paper first introduces the principle of Advanced encryption algorithm (AES), and at the same time describes the similarities and differences between it and Rijndael design.Security, high efficiency, easy to expand and optimize, simple hardware implementation are its characteristics. At the same time, this paper also studies the key technology of algorithm implementation.In the design process, the overall structure planning and the definition of each part of the port are completed, and the RTL level of the circuit is described with ATAES132 language. At the same time, the simulation on the software platform is carried out by using the Modelsim simulation tool of Model Company.The logic function and hardware of 128-bit key encryption and decryption are realized. The CycloneTV series chip based on Xilinx company is used in this paper, and the FPGA synthesis is carried out with NIOS II software. The simulation basically meets the requirements, which also proves the correctness of the design.Especially mentioned in the design is the ECB (Electronic Cryptography) encryption algorithm mode adopted in this paper, and pipeline structure is used to improve the working frequency and speed of the circuit. The innovation of this design lies in the realization of S-box transformation in language.Instead of using the traditional lookup method, the algorithm is used directly, which saves the storage area of the circuit and realizes the optimization.

Keywords: ATAES132, AES, Advanced encryption Standard Rijndael Design FPGA, encryption, High Speed, pipeline structure

目 录

摘要I

关键字I

Abstract.II

Key wordsII

第一章 绪论1

1.1密码学简介和我国信息安全现状1

1.2 数据加密标准的发展过程2

1.2.1数据加密标准DES2

1.2.2 高级加密标准AES2

1.3 AES的研究现状2

1.3.1 算法的研究现状2

1.3.2 硬件实现的研究现状3

1.4 本论文的意义4

1.5 内容和创新4

1.6 本章小结5

第二章 AES加密算法原理介绍和安全性能分析6

2.1 Rijndael和AES的区别6

2.2 预备知识6

2.2.1 Rijdael的数学基础和设计思想6

2.2.2 字节运算（位运算）9

2.2.3 四字节运算9

2.3 加密算法的四种主要工作模式10

2.4 加密算法原理描述12

2.5 AES加/解密算法的实现13

2.5.1 S盒变换 SubBytes()14

2.5.2 行变换ShiftRows()15

2.5.3 列变换Mixcolumns()15

2.5.4 与扩展密钥的异或运算AddRoundKey（）16

2.5.5 密钥扩展程序 Key Expansion( )16

2.6 AES安全性能分析16

2.6.1安全性原则17

2.6.2 AES算法的安全性17

2.6.3AES算法的性能分析18

2.7 本章小结18

第三章 开发环境介绍20

3.1 硬件描述语言20

3.2 Modelsim+NIOS II+(CycloneTV-5)开发环境20

3.2.1 Modelsim20

3.2.2 逻辑综合和综合工具NIOS II21

3.2.3 Xilinx CycloneTV-5系列FPGA22

3.3 设计方法23

3.4 本章小节24

第四章 AES算法的FPGA设计25

4.1 FPGA实现系统分析25

4.1.1 软硬件实现方法比较25

4.1.2 性能参数26

4.1.3 关键技术26

4.2 整体结构设计28

4.2.1 总体设计方案28

4.2.2 总体系统结构框图30

4.3 各系统分支设计31

4.3.1 加解密模块的设计31

4.3.2 控制模块设计33

4.3.3 密钥扩展模块设计34

4.3.4 接口模块设计35

4.4 编码实现36

4.5 本章小节36

第五章 系统的仿真和测试38

5.1 仿真测试简介38

5.2 Modelsim功能仿真38

5.3 NIOS II 综合和时序分析43

第六章 结论和展望44

致谢45

参考文献46