[发明专利]一种基于FPGA芯片的PCI-E的高速密码卡

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种信息安全领域，具体地说是一种基于FPGA芯片的PCI-E的高速密码卡。

背景技术

随着计算机网络技术的快速发展，人们对网络环境和网络信息资源的依赖程度日渐加深。近年来，网络信息安全的问题日渐严重，计算机犯罪案件数量急剧上升，已经成为普遍的国际性问题。网络信息安全问题的根源一方面来自网络自身的安全缺陷，如网络协议的不安全和业务的不安全；另一方面是人为的因素，例如因管理不善导致的黑客攻击。计算机网络已经成为当；今信息化社会发展的重要保证，网络信息安全关系到国家主权的安全、社会的稳定，关系到公私财物和个人隐私的安全。正是由于网络信息安全问题的存在，所以大量网络中存储和传输的重要数据需要得到有效的保护。

发明内容　　

　　本发明的技术任务是提供一种有效的解决网络中数据安全的问题，提供高效的防伪措施的一种基于FPGA芯片的PCI-E的高速密码卡。

本发明的技术任务是按以下方式实现的，该密码卡包括FPGA芯片、SM1密码算法芯片、FPGA配置芯片、晶体振荡器、电源芯片1、电源芯片2、电源芯片3、程序下载口K1、程序调试口K2、PCI-E总线；FPGA芯片内部包括PCI-E IP硬核、状态机、双端口RAM，PCI-E IP硬核与物理的PCI-E总线相连，状态机与SM1密码算法芯片相连实现数据的交互，双端口RAM连接FPGA配置芯片，通过FPGA配置芯片实现配置程序与数据的存储；晶体振荡器与FPGA芯片相连并提供工作时钟频率给FPGA芯片的应用层，且晶体振荡器通过FPGA芯片分频出时钟频率供给SM1密码算法芯片，作为SM1密码算法芯片的工作时钟频率；PCI-E总线的电压输出连接到电源芯片1，电源芯片1连接到电源芯片2及电源芯片3，电源芯片2连接FPGA芯片及SM1密码算法芯片，电源芯片3连接FPGA芯片内部的PCI-E IP硬核，程序下载口K1和程序调试接口K2均与FPGA芯片连接。

作为密码卡核心的FPGA芯片选用美国Altera公司Cyclone IV系列的EP4CGX30CF23C6型号芯片，FPGA芯片利用PCI-E IP硬核实现与PCI-E总线的连接，设置双端口RAM实现配置程序与数据的存储，并利用可编程技术、通过状态机实现对SM1密码算法芯片的逻辑控制。

EP4CGX30CF23C6型号芯片总引脚数为484，BGA封装，可利用的I/O管脚为307个，内含29440个LE，135KB的片内RAM，80个18×18的乘法器，4个高速串行收发器和1个PCI-E硬核IP。

SM1密码算法芯片为SSX30-D型号芯片。

国家密码管理局推荐的SSX30-D型号芯片为高性能分组密码算法芯片，实现SM1对称密码算法。该分组密码算法的分组长度为128比特，密钥长度为128比特。该SSX30-D型号芯片具有电子密本模式（ECB）、分组连接模式（CBC）以及单总线、双总线两种工作方式。SSX30-D型号芯片内部具有高速流水线，使数据输入、运算、数据输出并行进行，在电子密本模式双总线工作方式下加解密速率最高可达1.4Gbps。SSX30-D型号芯片安全性高，能有效保证用户进行交易时数据的安全性。

FPGA配置芯片采用Altera公司的EPCS128型号芯片，FPGA配置芯片用来存储配置程序，FPGA配置芯片与FPGA芯片相连，每次上电后FPGA芯片需要读取FPGA配置芯片里的配置程序进行密码卡的配置与初始化。

EPCS128型号芯片其容量为16MB，flash结构。

晶体振荡器采用100MHz的有源晶体振荡器，晶体振荡器与FPGA芯片相连，FPGA芯片通过自身内部的锁相环倍频出125MHz时钟频率作为FPGA芯片的应用层的工作时钟频率，FPGA芯片通过自身内部的锁相环分频出20MHz时钟频率供给SM1密码算法芯片作为SM1密码算法芯片的工作时钟频率。

电源芯片1采用美国Linear公司的LTM4602型号电源转换芯片，电源芯片1连接PCI-E总线，将PCI-E总线的12V电压转换为5V电压输出，供该密码卡使用。

电源芯片2采用美国TI公司的TPS767D301型号电源转换芯片，将电源芯片1转换的5V电压转换为两路3.3V和2.5V电压，分别供给FPGA芯片的I/O引脚和锁相环引脚；另外3.3V电压也供给SM1密码算法芯片使用。