基于TMS320VC5410 的DES 加密系統(tǒng)設(shè)計

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計：

　　選用TI 公司CCS（Code Composer Studio）作為該加密系統(tǒng)軟件設(shè)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(shè)計。由于C 語言編程具有便于閱讀、維護(hù)、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(shè)計， 在對時間要求比較苛刻的地方或?qū)Υa運(yùn)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(dāng)把卡片插入卡座時，狀態(tài)開關(guān)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(biāo)志位設(shè)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(jìn)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(shè)置為‘0’，PCR1= 0xFFFB；則卡片VCC觸點電平為低， 卡片處于掉電狀態(tài)； 通過語句PCR1|= 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?，但該引腳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。

　　#define set_IOout （） SPSA1=PCR1；SPSD1|=0x0800；FSX1 引腳處于輸出狀態(tài)

　　#define set_IOin （） SPSA1=PCR1；SPSD1=0xF7FF；FSX1 引腳處于輸入狀態(tài)

　　3.1.2 復(fù)位與復(fù)位應(yīng)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(yùn)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(biāo)準(zhǔn)對SLE5542 卡片進(jìn)行應(yīng)答復(fù)位，復(fù)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15 μs。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(fù)位應(yīng)答[5]；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(biāo)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(fù)位與復(fù)位應(yīng)答完成。

　　3.1.3 DSP 讀卡主程序設(shè)計：

　　圖4 為DSP 讀IC 卡主程序設(shè)計。卡片復(fù)位應(yīng)答之后，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(biāo)識； 之后地址8～20的13 個字節(jié)全為‘FF’是寫保護(hù)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(hù)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(shè)計：

　　3.2.1 McBSP0 的初始化配置：

　　首先通過SPCR10=0x0000，SPCR20=0x0000 把RRST 與XRST 位設(shè)置為‘0’，使串口復(fù)位。設(shè)置PCR0=0x0B0C；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RCR10 （ 子地址為02h） 和RCR20 （ 子地址為03h） 來對DSP 串口接收模式進(jìn)行設(shè)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(jìn)行設(shè)置， 令XCR10=0x0940；XCR20＝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(jī)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/（16×波特率）-1

　　由于TMS320VC5410 工作頻率為100 MHz， 因此CLKGDV=100 000 000/（16×38 400）-1=161， 設(shè)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McBSP0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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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)McBSP0 串口接收中斷，DSP 執(zhí)行中斷服務(wù)程序?qū)RR10 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(dāng)接收到一個完整的幀后，DSP 置串口數(shù)據(jù)解碼標(biāo)志位為‘1’，DSP開始運(yùn)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(fù)出原始的數(shù)據(jù)幀。

　　當(dāng)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(jī)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(jìn)行串口編碼之后通過數(shù)據(jù)發(fā)送寄存器DXR10（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(shè)計的加密系統(tǒng)的實驗結(jié)果。通過PC機(jī)和RS-232 串口發(fā)送字符‘11112222’ 的十六進(jìn)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‘3100000000000031’并對明文進(jìn)行DES 加密后，輸出密文的十六進(jìn)制形式為‘9*66D*DE9A2D’。結(jié)果顯示系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，符合設(shè)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(yīng)答復(fù)位和內(nèi)容的讀取，同時通過RS232 串口與個人PC 機(jī)實時交換數(shù)據(jù)，接收PC 機(jī)發(fā)送的明文并對其DES 加密后反饋輸出。

　　由于McBSP 的工作機(jī)制是同步串口， 把其當(dāng)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(shè)置和輸入輸出方向的設(shè)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(jìn)一步升級擴(kuò)展作為數(shù)據(jù)采集保密系統(tǒng)的加密模塊。