基于FPGA与PCI总线接口的身份认证智能卡的设计

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2024年4月28日发(作者：)

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长江大学学报（自科版）　２００６年６月第３卷第２期理工卷　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｙａｎｇｔｚｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔ　Ｓｃｉ　Ｅｄｉｔ）　Ｊｕｎ．２００６。ＶｏＬ　３　Ｎｏ．２　ｓｃｉ＆Ｅｎｇ　Ｖ　

基于ＦＰＧＡ与ＰＣＩ总线接口的　

身份认证智能卡的设计　

赵　彬，陈　璞，徐　华　（空军第一航空学院航空机械工程系，河南信阳４６４０００）　

［摘要］身份认证是保密通信和信息安全的基础．一直是网络安全研究重点。ＰＣＩ总线是一种高性能外围　

设备互连总线．由于ＰＣＩ总线协议的复杂性．其接口实现比较困难。为此，开发了一种基于ＦＰＧＡ与　

ＰＣＩ总线接口的身份认证智能卡；介绍了ＦＰＧＡ与ＰＣＩ总线接口的设计要点。　

［关键词］智能卡；ＦＰＧＡ；ＰＣＩ总线；接口　

［中图分类号］ＴＰ２７４　［文献标识码］Ａ　［文章ｍｑ］１６７３—１４０９（２００６）０２—００５７—０２　

身份认证是保密通信和信息安企的基础，一直是网络安全研究重点。智能卡以其安全性好、效率　

高、实用和灵活等特点在身份认证领域得到了广泛的应用。同时，网络技术的发展对智能卡的认证速度　

提出了越来越高的要求。ＦＰＧＡＥ　（Ｆｉｅｌｄ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙｓ，现场可编程门阵列）以其灵活的　

设计方法和强大的功能，逐渐成为嵌入式系统设计中的主流。随着ＦＰＧＡ性能的不断提高，传统的总　

线接口速度已不能满足其要求。ＰＣＩ总线是高性能外围设备接口总线，可同时支持多组外设，数据吞吐　

量大，３２位３３ＭＨｚ时峰值达１３２ＭＢ／ｓ。因此，利用ＰＣＩ（Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ　Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，外围部件　

接口）接口实现数据交换是提高嵌入式系统性能的有效途径。下面笔者介绍一种基于ＦＰＧＡ和ＰＣＩ总　

线接口的身份认证智能卡开发过程。　

ＰＣＩ总线接口概述　

嵌入式系统ＰＣＩ接口Ｌ。　有两种实现方式：一种是利用可编程逻辑芯片，采用ＨＤＬ语言自主开发　

ＰＣＩ接口控制器或购买ＰＣＩ接口知识产权内核（ＩＰ　ｃｏｒｅ），将ＰＣＩ接口控制和用户算法逻辑集中到一片　

ＦＰＧＡ中。另一种方式是采用专用的ＰＣＩ接口芯片。　

由于专用的ＰＣＩ接口芯片具有较低的成本和通用性，能够有效地降低接口设计的难度，缩短系统　

的开发时间，将复杂的ＰＣＩ总线时序转换为相对简单的本地总线时序。并且许多芯片设计公司也提供　

配套的开发工具（例如评估板和驱动程序开发软件），设计人员只要对芯片与用户的接口进行设计即可。　

因此采用这种方式进行设计。　

目前市场上ＰＣＩ接口芯片主要有ＡＭＣＣ公司的￥５９２ｏ，￥５９３３和ＰＬＸ公司的ＰＣＩ　９０５０，ＰＣＩ　９０５２　

和ＰＣＩ　９０５４等系列芯片。该系统中选择ＰＣＩ　９０５４芯片。在ＰＬＸ系列产品中，ＰＣＩ　９０５４是一种低成本、　

低功耗产品，符合ＰＣＩ总线标准２．２版，具有可选的串行Ｅ２ＰＲＯＭ（电可擦除只读存储器）接口，本　

地总线时钟可以和ＰＣＩ总线时钟异步，具有６种可编程先入先出存储器（Ｆｉｒｓｔ　Ｉｎｐｕｔ　Ｆｉｒｓｔ　Ｏｕｔｐｕｔ，　

ＦＩＦＯ），可以实现零等待突发传输及本地总线和ＰＣＩ总线之间的异步操作，同时支持主模式和从模式数　

据传输方式，是目前应用较为广泛的ＰＣＩ接口芯片之一。　

２硬件设计　

身份认证智能卡主要包括ＦＰＧＡ，ＰＣＩ　９０５４和ＦＬＡＳＨ存储器３部分，以及相应的电源、时钟和配　

置芯片等外围设备。身份认证中加密算法采用１２８位ＡＥＳ（Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ　Ｓｔａｎｄａｒｄ，高级数据加密　

［收稿日期］２００６—０４一ｌ５　

［作者简介］赵彬（１９８０一），男，２００２年大学毕业。助教。现主要从事航空测控技术与仪器专业的教学和科研工作。　

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长江大学学报（自科版）　２００６年６月　

标准）算法。ＡＥＳ算法具有规则的置换和多轮迭　

代移位运算，便于采用ＦＰＧＡ内部丰富的逻辑资　

源实现。认证双方通过对比加密后身份信息来进行　

判断。图ｌ为基于ＦＰＧＡ的ＰＣＩ接口身份认证智　

ＰＣＩ总线　

能卡的硬件结构图。　

ＦＰＧＡ芯片ＥＰ１Ｃ１２主要实现ｌ２８位ＡＥＳ算　

法中置换、迭代和循环移位等运算，同时提供和　

ＰＣＩ接口芯片和ＦＬＡＳＨ存储器芯片的数据接口控　

制逻辑。ＰＣＩ　９０５４主要实现计算机系统ＰＣＩ总线　

和ＦＰＧＡ之间的数据交换。ＦＬＡＳＨ存储器芯片　

ＭＸ２９ＬＶ８００Ｂ用于存放身份认证算法中使用相关的　

数据以及用户身份特征信息。　ＰＲＯＭ　９３Ｓ５６为ＰＣＩ　９０５４的配置芯片，ＥＰＣＳ４为Ａｈｅｒａ公司的Ｃｙｃｌｏｎｅ系　

列ＦＰＧＡ　ＥＰ１Ｃ１２的配置芯片，分别存放对应芯片的配置信息。ＦＰＧＡ通过对ＰＣＩ　９０５４内部硬件资源的调　

度与控制，实现数据收发、命令解释执行和用户个人身份１３令认证。电源管理是一个Ｉ）Ｃ—ＤＣ转换器，将　

ＰＣＩ总线上的＋５Ｖ电压转换为ＰＣＩ　９０５４和ＦＰＧＡ需要的３．３Ｖ电压信号。时钟信号采用５０ＭＨｚ时钟芯片。　

图１　身份认证智能卡硬件系统结构图　

３软件设计　

ＰＣＩ　９０５４只是将计算机系统ＰＣＩ总线信号转换为本地局部总线的信号。为了实现ＦＰＧＡ和ＰＣＩ　

９０５４局部总线之间的数据交换，还需要设计ＦＰＧＡ与ＰＣＩ本地总线接口控制模块。在该系统中利用　

Ｖｅｒｉｌｏｇ　ＨＤＬ语言设计有限状态机状态转换实现ＦＰＧＡ和ＰＣＩ本地总线间的数据交换　

图如图２所示。　

。ＰＣＩ接１３状　

态机主要包括ＦＰＧＡ对ＰＣＩ本地总线读、写和总线应答等状态。ＦＰＧＡ与ＰＣＩ　９０５４接口状态转换结构　

ＬＨ０ＬＤＡ＝Ｏ　１＇　

ＲＥＡＤＹｎ＝Ｉ　

ＰＣＩ９０５４　ｒｅａｄ＝０　

ＰＣＩ９０５４　ｗｒｉｔｅ＝０　

ＡＤＳｎ＝０　

ＬＷＲｎ＝　

ＬＨｏＬＤＡ＝Ｉ　

ＲＥＡＤＹ１３＝ｌ　

’　

ＰＣＩ９０５４　ｒｅａｄ＝０　

ＰＣ１９０５４　ｗｒｉｔｅ＝Ｏ　

ＰＣＩ　ＷＲＩＴＥ　

＿．．　—、　

ＡＤＳｎ＝０　

ＬＷＲｎ＝０　

ＰＣＩ９０５４　ｗｒｉｔｅ＝　

ＲＥＡＤＹｎ＝０　

ＡＤＳｎ＝０　

ＬＷＲ１３＝Ｉ　

＿＿＿—－—＿●，，Ｐ　ＣＩ９０５４　一ｒ　ｅａｄ　

－

ＰＣ１９０５４　ｒｅａｄ＝　

ＲＥＡＤＹｎ＝０　

ＬＷＲｎ＝０　ＲＥＡＤＹ

ｎ：Ｉ　

图２　ＦＰＧＡ与ＰＣＩ　９０５４接口状态机结构图　

ＰＣＩ总线接口状态机共包括６种状态：空闲状态ＰＣＩ—ＩＤＬＥ，应答状态ＨＯＬＤ—ＡＣＫ，读状态　

ＰＣＩ

—

ＲＥＡＤ

Ａ和ＰＣＩ—ＲＥＡＤ—Ｂ，写状态ＰＣＩ—ＷＲＩＴＥ，完成状态ＰＣＩ—ＤＯＮＥ。这６种状态之间　

的转换依靠ＰＣＩ总线上ＬＨＯＬＤＡ，ＲＥＡＤＹｎ，ＡＤＳｎ和ＬＷＲｎ和ＢＬＡＳＴｎ５种信号来控制，具体信号　

含义可参考ＰＣＩ总线规范　ＰＣＩ９０５４一ｒｅａｄ和ＰＣＩ９０５４一ｗｒｉｔｅ是ＦＰＧＡ读写控制信号，根据需要可以　

定义在ＦＰＧＡ芯片任何一个通用引脚。　

（下转第６２页）　

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６２・　长江大学学报（自科版）　２００６年６月　

动力布局、边界条件、各种载荷的影响可以忽略不　

计，因此，可以直接在机翼完整结构模型的基础上构　

建机翼的损伤模型。　

根据损伤的位置、特征在完整结构模型的基础　

上，通过ＡＰＤＬ语句，修改模型损伤局部的单元、常　

数、参数等，创建机翼的损伤模型。不同类型的损伤　

对应的损伤模型是不一样的，图５为经过挖孔器扩　

孔，使破孔成为孔壁光滑的椭圆形破孔损伤的损伤模　

型局部图。　

６结　语　图５　机翼椭圆形破孔损伤的模型局部图　

上述建模、分析过程都是基于机翼变形相对于机翼尺寸较小和机翼损伤相对于结构整体尺寸较小的　

前提下，当机翼变形较大时，则需考虑机翼有限元分析模型和载荷模型的相互耦合问题，可采用迭代算　

法对有限元分析模型和载荷模型修正。　

［参考文献］　

［１］张建华。飞机战伤抢修＿【程学［Ｍ］。北京：航空工业出版社，２００１．　

［２］陈精一．电脑辅助工程分析［Ｍ］。北京：中国铁道出版杜，２００１．　

［３］李曙林。飞机构造［Ｍ］。西安：空军工程学院，ｌ９９３。　

ｆ４］刑静忠．ＡＮＳＹＳ　７。０分析实例与工程应用ｆＭ］。北京　机械工业出版社，２００４　

［５３方企勤。数学分析ｆＭ］。北京：高等教育出版社，ｌ　９８６。　

［编辑］　易国华　

（上接第５８页）　

４结　语　

基于ＦＰＧＡ的身份认证智能卡与计算机之间通过ＰＣＩ总线进行数据交换。系统上电后，Ｅ　ＰＲＯＭ　

中配置数据加载到ＦＰＧＡ中，ＦＰＧＡ从ＦＬＡＳＨ存储器中读取用户身份信息和加解密密钥，通过流水　

线设计实现ＡＥＳ算法多轮函数运算，提高了加解密的运算速度，运算结果通过ＰＣＩ接口返回顶层应用　

程序。所有运算中间结果均在智能卡内部，不会出现在计算机系统中，因此可以有效防止木马程序窃取　

用户身份信息。认证系统安全性好，处理速度快，已在某物流防伪编码系统中得到了应用。实际应用表　

明，该身份认证智能卡系统安全、可靠、高效。　

［参考文献］　

ｒ１］潘松．黄继业。ＥＤＡ技术实用教程［Ｍ］．第２版。北京；科学出版社．２００５．　

Ｆ２３韩雪峰，黄焱，杨涛。基于ＰＣＩ总线的高速数据采集接口的设计与实现［Ｊ］．微计算机信息，２００５，（８）：７１～７３．　

３］武安河，邰铭，于洪涛。Ｗｉｎｄｏｗｓ　２ＯＯＯ／ＸＰ　ＷＤＭ设备驱动程序开发ｆＭ］。北京：电子工业出版社，２００４．　

ｒ４］尹勇，李字。ＰＣＩ总线设备开发宝典ｆＭ］。北京　北京航空航天大学出版社．２００５。　

［编辑］　易国华　

本文标签： 接口总线认证身份设计