AI嵌入式K210项目（16）-高级加密加速器

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前言

K210内置了丰富的加速器，包括神经网络处理器 (KPU)，AES(高级加密加速器)，APU 麦克风阵列语音数据加速计算处理器，现场可编程 IO 阵列 (FPIOA)，数字摄像头接口 (DVP)，相对于软件可以极大的提高 AES 运算速度，快速傅里叶变换加速器 (FFT)，安全散列算法加速器 (SHA256)。
本文介绍高级加密加速器 (AES)；

一、什么是AES？

AES是高级加密标准，在密码学中又称Rijndael加密法，是美国联邦政府采用的一种区块加密标准。这个标准用来替代原先的DES，目前已经被全世界广泛使用，同时AES已经成为对称密钥加密中最流行的算法之一。AES支持三种长度的密钥：128位，192位，256位。

AES加密算法涉及4种操作：字节替代（SubBytes）、行移位（ShiftRows）、列混淆（MixColumns）和轮密钥加（AddRoundKey）。下图给出了AES加解密的流程，从图中可以看出：

1、解密算法的每一步分别对应加密算法的逆操作；

2、加解密所有操作的顺序正好是相反的。正是由于这几点（再加上加密算法与解密算法每步的操作互逆）保证了算法的正确性。加解密中每轮的密钥分别由种子密钥经过密钥扩展算法得到。算法中16字节的明文、密文和轮子密钥都以一个4x4的矩阵表示。
AddRoundKey （轮密钥加）— 矩阵中的每一个字节都与该次轮密钥（round key）做XOR运算；每个子密钥由密钥生成方案产生。

SubBytes（字节替代） — 通过非线性的替换函数，用查找表的方式把每个字节替换成对应的字节。

ShiftRows（行移位） — 将矩阵中的每个横列进行循环式移位。

MixColumns （列混淆）— 为了充分混合矩阵中各个直行的操作。这个步骤使用线性转换来混合每列的四个字节。

AES的加密模式有多种，下面是常用的CNC模式

二、K210的加密接口

AES 加速器是用来加密和解密的模块，具体性能如下：
• 支持 ECB，CBC，GCM 三种加密方式
• 支持 128 位，192 位，256 位三种长度的 KEY
• KEY 可以通过软件配置，受到硬件电路保护
• 支持 DMA 传输

K210提供了非常丰富的用户接口，对应的头文件 aes.h

• aes_ecb128_hard_encrypt：AES-ECB-128 加密运算。输入输出数据都使用cpu 传输。ECB 加密将明文按照固定大小16bytes 的块进行加密的，块大小不足则进行填充。ECB 模式没有用到向量。

• aes_ecb128_hard_decrypt：AES-ECB-128 解密运算。输入输出数据都使用cpu 传输。ECB 加密将明文按照固定大小16bytes 的块进行加密的，块大小不足则进行填充。ECB 模式没有用到向量。

• aes_ecb192_hard_encrypt：AES-ECB-192 加密运算。输入输出数据都使用cpu 传输。ECB 加密将明文按照固定大小16bytes 的块进行加密的，块大小不足则进行填充。ECB 模式没有用到向量。

• aes_ecb192_hard_decrypt：AES-ECB-192 解密运算。输入输出数据都使用cpu 传输。ECB 加密将明文按照固定大小16bytes 的块进行加密的，块大小不足则进行填充。ECB 模式没有用到向量。

• aes_ecb256_hard_encrypt：AES-ECB-256 加密运算。输入输出数据都使用cpu 传输。ECB 加密将明文按照固定大小16bytes 的块进行加密的，块大小不足则进行填充。ECB 模式没有用到向量。

• aes_ecb256_hard_decrypt：AES-ECB-256 解密运算。输入输出数据都使用cpu 传输。ECB 加密将明文按照固定大小16bytes 的块进行加密的，块大小不足则进行填充。ECB 模式没有用到向量。

• aes_cbc128_hard_encrypt：AES-CBC-128 加密运算。输入输出数据都使用cpu 传输。CBC 加密将明文按照固定大小16bytes 的块进行加密的，块大小不足则进行填充。

• aes_cbc128_hard_decrypt：AES-CBC-128 解密运算。输入输出数据都使用cpu 传输。CBC 加密将明文按照固定大小16bytes 的块进行加密的，块大小不足则进行填充。

• aes_cbc192_hard_encrypt：AES-CBC-192 加密运算。输入输出数据都使用cpu 传输。CBC 加密将明文按照固定大小16bytes 的块进行加密的，块大小不足则进行填充。

• aes_cbc192_hard_decrypt：AES-CBC-192 解密运算。输入输出数据都使用cpu 传输。CBC 加密将明文按照固定大小16bytes 的块进行加密的，块大小不足则进行填充。

• aes_cbc256_hard_encrypt：AES-CBC-256 加密运算。输入输出数据都使用cpu 传输。CBC 加密将明文按照固定大小16bytes 的块进行加密的，块大小不足则进行填充。

• aes_cbc256_hard_decrypt：AES-CBC-256 解密运算。输入输出数据都使用cpu 传输。CBC 加密将明文按照固定大小16bytes 的块进行加密的，块大小不足则进行填充。

• aes_gcm128_hard_encrypt：AES-GCM-128 加密运算。输入输出数据都使用cpu 传输。

• aes_gcm128_hard_decrypt：AES-GCM-128 解密运算。输入输出数据都使用cpu 传输。

• aes_gcm192_hard_encrypt：AES-GCM-192 加密运算。输入输出数据都使用cpu 传输。

• aes_gcm192_hard_decrypt：AES-GCM-192 解密运算。输入输出数据都使用cpu 传输。

• aes_gcm256_hard_encrypt：AES-GCM-256 加密运算。输入输出数据都使用cpu 传输。

• aes_gcm256_hard_decrypt：AES-GCM-256 解密运算。输入输出数据都使用cpu 传输。

• aes_ecb128_hard_encrypt_dma：AES-ECB-128 加密运算。输入数据使用cpu 传输，输出数据都使用dma 传输。ECB 加密将明文按照固定大小16bytes 的块进行加密的，块大小不足则进行填充。ECB 模式没有用到向量。

• aes_ecb128_hard_decrypt_dma：AES-ECB-128 解密运算。输入数据使用cpu 传输，输出数据都使用dma 传输。ECB 加密将明文按照固定大小16bytes 的块进行加密的，块大小不足则进行填充。ECB 模式没有用到向量。

• aes_ecb192_hard_encrypt_dma：AES-ECB-192 加密运算。输入数据使用cpu 传输，输出数据都使用dma 传输。ECB 加密将明文按照固定大小16bytes 的块进行加密的，块大小不足则进行填充。ECB 模式没有用到向量。

• aes_ecb192_hard_decrypt_dma：AES-ECB-192 解密运算。输入数据使用cpu 传输，输出数据都使用dma 传输。ECB 加密将明文按照固定大小16bytes 的块进行加密的，块大小不足则进行填充。ECB 模式没有用到向量。

• aes_ecb256_hard_encrypt_dma：AES-ECB-256 加密运算。输入数据使用cpu 传输，输出数据都使用dma 传输。ECB 加密将明文按照固定大小16bytes 的块进行加密的，块大小不足则进行填充。ECB 模式没有用到向量。

• aes_ecb256_hard_decrypt_dma：AES-ECB-256 解密运算。输入数据使用cpu 传输，输出数据都使用dma 传输。ECB 加密将明文按照固定大小16bytes 的块进行加密的，块大小不足则进行填充。ECB 模式没有用到向量。

• aes_cbc128_hard_encrypt_dma：AES-CBC-128 加密运算。输入数据使用cpu 传输，输出数据都使用dma 传输。CBC 加密将明文按照固定大小16bytes 的块进行加密的，块大小不足则进行填充。

• aes_cbc128_hard_decrypt_dma：AES-CBC-128 解密运算。输入数据使用cpu 传输，输出数据都使用dma 传输。CBC 加密将明文按照固定大小16bytes 的块进行加密的，块大小不足则进行填充。

• aes_cbc192_hard_encrypt_dma：AES-CBC-192 加密运算。输入数据使用cpu 传输，输出数据都使用dma 传输。CBC 加密将明文按照固定大小16bytes 的块进行加密的，块大小不足则进行填充。

• aes_cbc192_hard_decrypt_dma：AES-CBC-192 解密运算。输入数据使用cpu 传输，输出数据都使用dma 传输。CBC 加密将明文按照固定大小16bytes 的块进行加密的，块大小不足则进行填充。

• aes_cbc256_hard_encrypt_dma：AES-CBC-256 加密运算。输入数据使用cpu 传输，输出数据都使用dma 传输。CBC 加密将明文按照固定大小16bytes 的块进行加密的，块大小不足则进行填充。

• aes_cbc256_hard_decrypt_dma：AES-CBC-256 解密运算。输入数据使用cpu 传输，输出数据都使用dma 传输。CBC 加密将明文按照固定大小16bytes 的块进行加密的，块大小不足则进行填充。

• aes_gcm128_hard_encrypt_dma：AES-GCM-128 加密运算。输入数据使用cpu 传输，输出数据都使用dma 传输。

• aes_gcm128_hard_decrypt_dma：AES-GCM-128 解密运算。输入数据使用cpu 传输，输出数据都使用dma 传输。

• aes_gcm192_hard_encrypt_dma：AES-GCM-192 加密运算。输入数据使用cpu 传输，输出数据都使用dma 传输。

• aes_gcm192_hard_decrypt_dma：AES-GCM-192 解密运算。输入数据使用cpu 传输，输出数据都使用dma 传输。

• aes_gcm256_hard_encrypt_dma：AES-GCM-256 加密运算。输入数据使用cpu 传输，输出数据都使用dma 传输。

• aes_gcm256_hard_decrypt_dma：AES-GCM-256 解密运算。输入数据使用cpu 传输，输出数据都使用dma 传输。

• aes_init：AES 硬件模块的初始化。

• aes_process：AES 硬件模块执行加密解密操作。

• gcm_get_tag：获取AES-GCM 计算结束后的tag。

三、实验过程

本实验验证AES的三种模式（ECB/CBC/GCM）并测试他们的加密时间；代码比较多，我这里只贴主函数的代码了，完整代码在我开放的gitee下载

int main(void)
{
    aes_cipher_mode_t cipher;
    printf("begin test %d\n", get_time_flag);

    for (cipher = AES_ECB; cipher < AES_CIPHER_MAX; cipher++)
    {
        printf("[%s] test all byte ... \n", cipher_name[cipher]);
        if (AES_CHECK_FAIL == aes_check_all_byte(cipher))
        {
            printf("aes %s check_all_byte fail\n", cipher_name[cipher]);
            return -1;
        }

        printf("[%s] test all key ... \n", cipher_name[cipher]);
        if (AES_CHECK_FAIL == aes_check_all_key(cipher))
        {
            printf("aes %s check_all_key fail\n", cipher_name[cipher]);
            return -1;
        }

        printf("[%s] test all iv ... \n", cipher_name[cipher]);
        if (AES_CHECK_FAIL == aes_check_all_iv(cipher))
        {
            printf("aes %s check_all_iv fail\n", cipher_name[cipher]);
            return -1;
        }
        
        printf("[%s] [%ld bytes] cpu time = %ld us, dma time = %ld us, soft time = %ld us\n", cipher_name[cipher],
                AES_TEST_DATA_LEN,
                cycle[cipher][AES_HARD][AES_CPU]/(sysctl_clock_get_freq(SYSCTL_CLOCK_CPU)/1000000),
                cycle[cipher][AES_HARD][AES_DMA]/(sysctl_clock_get_freq(SYSCTL_CLOCK_CPU)/1000000),
                cycle[cipher][AES_SOFT][AES_CPU]/(sysctl_clock_get_freq(SYSCTL_CLOCK_CPU)/1000000));
    }
    printf("aes-256 test pass\n");
    while (1)
        ;
    return 0;
}

代码完成后，进行编译

cd build

cmake .. -DPROJ=aes -G "MinGW Makefiles"

make

编译完成后，在build文件夹下会生成aes.bin文件。

使用type-C数据线连接电脑与K210开发板，打开kflash，选择对应的设备，再将程序固件烧录到K210开发板上。

烧录后重启开发板，实验结果如下：

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总结

从实验结果看，AES硬件加速器效果非常明显，比单独使用软件加密更快。