PCI加密卡是基于加解密芯片和PCI總線卡技術實現的安全保密設備，為計算機提供數據加密、數據完整性、數字簽名、訪問控制等安全功能，可用于計算機文件保護、電子郵件系統安全保密、辦公自動化安全保密、數據庫保護、網絡加密等。主要用于帶PCI插槽的臺式PC機和工作站， 在防火墻、VPN加密機等方面具有極為廣泛的應用前景[1][2]。

PCI加密卡的數據加密分為軟件實現和硬件實現兩種方式，軟件實現是指在PCI配置嵌入式微處理器或DSP芯片實現加密算法；硬件實現是指采用密碼算法芯片實現加/解密、簽名算法，具有處理速度快，安全性好的特點。在上述硬件實現中，PCI總線接口可以采用專門的接口芯片，例如PCI9054實現；也可以采用PCI接口IP核在密碼專用芯片中實現。本文采用一片Altera的Cyclone 系列FPGA實現了加解密算法和PCI接口，并為加密卡開發了WDM驅動程序，設計了一個能為PC機提供數據加密、數據完整性、訪問控制等安全功能的PCI加密卡。

1 系統硬件架構設計

整個PCI加密卡硬件以一片FPGA為中心，配以FPGA配置芯片、時鐘等模塊構成。PCI接口、3DES、MD5算法等全部在FPGA內部實現。整個加密卡的硬件結構如圖1所示，系統主要設計任務在FPGA內部的邏輯功能完成，包括：PCI接口模塊、控制模塊、輸入輸出緩存模塊和數據加密模塊。PCI接口模塊由IP軟核實現，主要功能是控制和實現數據的雙向傳輸；控制模塊主要控制PCI接口與數據加密模塊之間的數據傳輸；輸入輸出緩存模塊主要用于寄存由PCI接口模塊輸入后等待處理的數據，以及系統內部運算后等待輸出的數據結果；數據加密模塊主要包含硬件實現后的加密算法，用于對輸入的數據進行加解密運算。

　　在各個主要模塊中，密碼運算模塊的速度將直接影響到整個加密系統的工作效率。此外，由于控制模塊的主要功能是控制輸入輸出緩存中的數據依次進入加密模塊，同時，根據加密模塊反饋的狀態信息發出相應的控制信息，所以，控制模塊的設計在整個加密設備的設計實現中十分重要。

　　2 PCI接口IP核及其應用方法

　　PCI總線接口有兩種設計方案，一是采用專門的PCI接口芯片(例如PCI9054或PCI9052)實現，二是采用PCI接口IP核在密碼專用芯片中實現[3]。本加密卡采用第二種方案，由VHDL描述的軟核下載到FPGA中實現。該PCI接口IP核符合標準的PCI2.2協議，支持I/O操作、配置讀、寫操作、總線BUS_MASTER讀、BUS_MASTER寫以及DMA中斷方式和DMA數據傳輸方式。該IP核設計主要采用有限狀態機實現，包括中斷應答、突發讀操作、突發寫操作、配置讀操作、配置寫操作、I/O讀寫傳輸、存儲器讀寫傳輸7個狀態機組成。其工作流程如圖2所示。收到幀開始信號(#FRAM信號為低)后，根據PCI總線C/BE[3..0]上的命令，分別進入7個狀態機中的一個。操作結束后，主機發出幀結束信號(#FRAM為信號低)，進入等待狀態，進入下個操作。

　　利用該PCI接口IP核完成加密卡設計，必須先確定數據傳輸的實現方式。該PCI接口IP核支持兩個256K字節的I/O空間；支持一個4M字節的PCI內存空間。在PCI的數據傳輸中，主要依靠I/O讀、I/O寫、存儲器讀、存儲器寫等操作完成數據傳輸。I/O讀、寫命令用來從一個映射到I/O地址空間的設備中讀、寫數據。存儲器讀、寫命令用來從一個映射到存儲器地址空間的設備讀、寫數據。在加密卡初期設計中，數據都被映射到I/O地址空間進行操作。系統工作的基本過程如下：數據從PC機進入PCI接口模塊，先存入PCI接口模塊中指定的I/O存儲單元中；在控制模塊的控制下，依次進入密碼算法模塊，數據經過處理后輸出到輸出緩存之中，由驅動程序將運算結果傳輸給應用程序。

　　確定了數據傳輸方式后，下一步的工作是完成加密算法模塊設計，并設計適當的接口控制模塊，按照事先確定的數據傳輸方式將其連接到PCI接口模塊。

　　3 密碼算法模塊設計

　　密碼算法模塊是整個加密卡設計的核心，其設計的優劣直接關系到加密卡的性能和安全性。下面以3DES算法為例，介紹密碼算法模塊的設計方法。