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基于FPGA的硬盘数据加密系统研究

作　者: 胡海龙
导　师: 李晶皎
学　校: 东北大学
专　业: 计算机软件与理论
关键词: FPGA AES ATA 数据加密
分类号: TP309.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 61次
引　用: 1次
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内容摘要


随着信息数据存储需求的逐步加大,人们对保护硬盘数据免受侵害的关注程度也越来越高。硬盘数据加密是当前保护硬盘数据的主要趋势和手段。相比软件加密方法,硬件加密方法不依赖系统资源,不容易被破译,并可采用独立可靠的密钥管理方式。因此设计硬盘加密系统具有重要的应用和研究价值。本文针对ATA硬盘,整合AES密码技术和FPGA芯片技术、,完成硬盘数据实时加／解密的硬件实现；采用自底向上的设计方法,实现了主板与硬盘之间的桥接芯片系统的设计。该系统采用高级数据加密标准算法(AES),完成了对硬盘数据读写的实时加／解密功能。本文首先提出了系统的整体设计方案,根据功能将系统分为两个主要单元进行设计,并针对工作中的难点和关键技术进行了分析。其次,详细阐述了协议控制单元和数据处理单元的分析、设计以及硬件实现。先对ATA协议加解密前后的时序进行了分析,给出了经过了数据处理后的ATA协议的硬件实现。后对数据处理单元进行了设计,利用流水线技术实现了AES算法,解决了ATA协议和AES算法数据宽度不一致等问题。最后,给出系统的整体实现。利用LogicLock技术对系统进行优化,利用嵌入式逻辑分析仪对芯片的加解密功能进行了分析测试。通过测试可以知道,该系统完成了对ATA协议中传输的数据进行实时的AES加解密,达到了预期的实验效果,并对前面工作情况进行总结,提出工作中的不足,明确了下一步的工作方向。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-7
目录  7-9
第一章 绪论  9-13
  1.1 课题背景与意义  9
  1.2 硬盘数据保护的现状  9-11
  1.3 主要工作  11
  1.4 本文的组织结构  11-13
第二章 硬盘加密系统整体设计  13-21
  2.1 FPGA设计基础  13-14
    2.1.1 FPGA简要描述  13
    2.1.2 硬件描述语言概况  13-14
  2.2 开发环境介绍  14-16
    2.2.1 Verilog HDL介绍  14-15
    2.2.2 Altera Quartus Ⅱ介绍  15-16
  2.3 系统的整体设计  16-21
    2.3.1 硬盘加密的可行性  16
    2.3.2 加密系统整体设计方案  16-18
    2.3.3 难点分析与关键技术  18-21
第三章 协议控制单元分析与实现  21-41
  3.1 ATA协议介绍  21-26
    3.1.1 ATA协议简述  21-22
    3.1.2 ATA接口管脚信号  22-24
    3.1.3 寄存器组  24-25
    3.1.4 硬盘读写操作  25-26
  3.2 ATA控制器的设计实现  26-35
    3.2.1 ATA主要命令流程分析  26-27
    3.2.2 PIO传输设计实现  27-30
    3.2.3 UDMA传输设计实现  30-35
  3.3 ATA协议传输加密的实现  35-41
    3.3.1 PIO加密传输的实现  35-36
    3.3.2 UDMA加密传输的实现  36-41
第四章 数据处理单元设计与实现  41-55
  4.1 AES算法流程  41-45
  4.2 AES算法单元设计  45-49
    4.2.1 算法设计方案  45-47
    4.2.2 算法单元结构框图  47-49
  4.3 AES模块具体实现  49-51
    4.3.1 轮运算模块实现  49-50
    4.3.2 密钥扩展模块实现  50-51
    4.3.3 接口与控制模块实现  51
  4.4 其它数据处理单元设计与实现  51-55
    4.4.1 CRC校验电路设计实现  51-53
    4.4.2 FIFO缓存器设计与实现  53-55
第五章 系统的整体实现与测试  55-61
  5.1 整体实现  55-57
    5.1.1 顶层实现  55-56
    5.1.2 系统优化  56-57
  5.2 系统测试  57-61
    5.2.1 测试环境  57-58
    5.2.2 仿真测试  58-59
    5.2.3 片上测试  59-61
第六章 总结与展望  61-63
  6.1 工作总结  61
  6.2 后期展望  61-63
参考文献  63-67
致谢  67

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 一般性问题 > 安全保密 > 加密与解密
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