4 密碼服務的PCI傳輸控制

　　完成了密碼算法模塊后，還要設計一個接口控制模塊，將其連接到PCI接口模塊，以實現密碼模塊與PCI主機的通信連接。下面以3DES密碼模塊為例，介紹面向PCI傳輸的密碼算法接口控制模塊的設計。圖5為該模塊的設計框圖，在PC機與加密卡的通信過程中，驅動程序先將數據按32bit分組送入PCI中指定的IO存儲器地址中。一次加密服務流程如下：數據首先進入輸入緩存模塊，分別將3DES密鑰Key1、Key2送入I/O地址70h，74h，78h，7ch；數據送入80h，84h；命令送入88h。待數據傳輸完畢，由驅動程序向密碼算法模塊發送啟動信號，在計數器模塊的控制下，命令、IV向量、密鑰、數據由緩存模塊依次進入密碼運算模塊；密碼運算完畢后向PCI模塊發送ready信號，并把數據處理結果放入輸出緩存地址9ch和a0h中，驅動程序在檢測的ready信號為高時從輸出緩存地址取走數據。

　　5 加密卡驅動程序設計及系統測試

　　PCI加密卡為主機提供加/解密服務，并為應用軟件提供相應的軟件接口，主要包括用Visual C++開發的WDM驅動程序和應用程序編程接口函數庫兩個部分[4]。在Windows2000系統中可以使用多種驅動程序，如虛擬設備驅動程序(VDD)和內核模式驅動程序。其中，WDM驅動程序是一種PnP驅動程序，它遵循Windows2000即插即用協議的內核模式驅動程序，同時還遵循電源管理協議，并能在Windows98、Windows2000和Windows XP間實現源代碼級兼容。

　　應用程序與WDM通信時，應用程序先調用CreateFile函數打開設備，然后調用DeviceIoControl與WDM進行數據通信，最后用CloseHandle關閉設備。主機應用程序用Visual C++開發生成，主要包括系統的用戶界面設計、用于輸入用戶數據、顯示運算后的結果數據、調用驅動程序實現某種功能。驅動程序與應用程序之間的通信分為同步方式和異步方式。若采用同步方式，則應用程序調用DeviceIoControl函數時將被阻塞，等待PCI設備進行數據處理，完成相應操作，直到驅動程序給應用程序返回值后，應用程序才會接著運行。若采用異步方式，則應用程序調用DeviceIoControl函數將立刻返回，不等待驅動程序對數據的操作。這樣，如果在應用程序退出之前，驅動程序還沒完成I/O操作，就需要編寫超時取消I/O操作的代碼，確保在應用程序退出之后正常關閉設備。異步方式相對比較復雜，考慮到設計中算法對時序要求高，所以本設計選擇同步方式實現計算機與PCI設備之間的通信。

　　3DES加密算法和驅動程序全部完成后，為了對整個加密卡的功能進行驗證，開發了一個文件加密服務程序對加密卡進行測試。測試過程如下：

　　第一步，系統安裝及初始化。首先將加密卡插入到PCI插槽中，將硬件設計下載到FPGA配置芯片后，重新上電，裝載驅動程序，最后，啟動應用程序開始整個加密卡的測試工作。
　　第二步，加密功能測試。輸入3DES的兩個加密初始密鑰Key1、Key2，選擇一個事先編輯的文本文件Plain.txt為待加密的明文數據。模式選擇為加密的情況下，所得密文數據輸出到Cipher.txt文件中。
　　第三步，解密功能測試。為了便于比較，仍然選用Key1、Key2為3DES的兩個解密初始密鑰。導入Cipher.txt作為待解密的密文數據，在模式選擇為解密的情況下，所得明文數據導出在Plain1.txt文件中。經過比較，Plain.txt和Plain1.txt完全一致。

　　上述測試結果表明，加密卡驅動程序、PCI接口IP核能夠正確將應用程序提供的數據傳輸給密碼算法模塊，密碼算法模塊正確完成加解密操作后，數據能正確通過PCI接口IP核、驅動程序傳輸到應用程序，即加密卡設計實現了預定的功能。下一步還要對系統的性能進行測試，優化系統結構提高系統的性能。

　　本文討論一個基于FPGA實現的PCI加密卡的設計與實現過程，以3DES算法為例重點討論了密碼算法及其與PCI接口模塊之間的數據傳輸實現方法，對包括驅動程序在內的加密卡進行了功能測試。作為一個功能完善的加密卡，要為PC機提供數據加密、數據完整性、訪問控制等服務，除了提供3DES加密算法以外，還需要支持AES等加密強度更高的對稱密碼算法、非對稱算法、散列算法、簽名驗證算法等，這也是下一步要做的主(接上頁)
要工作。

參考文獻
[1] 成都天融信網絡安全技術有限公司.PCI加密卡[EB/OL].http：//www.westsec.com.cn,2006.
[2] 劉建中，李清寶.基子PCI總線加密卡硬件設計.電子技術應用[J]，2004，30(1)：7-9.
[3] 劉紅，李勃，常青，等.基于IP核的PCI總線接口設計與實現[J].電子技術應用，2006，32(6)：6-9.
[4] 杜欣，馬秦生.PCI傳輸卡的WDM驅動程序設計[J].電子技術應用，2003，29(12)：22-24.