摘要根据DSP课程教学内容多、难度大和实践性强的特点，从教学内容和方法手段等方面对该课程的教学做了有益的探索。其中教学内容提出抓住一条主线，围绕一个中心，突出教学重点；而教学方法强调增加师生互动，自行开发多媒体课件，融入开发实例以及改进考核方式等。通过以上措施，提高了DSP课程的教学效果。
DSP技术在PC加密卡中的应用
摘 要：随着网络的发展，相关的安全与保密已成为人们越来越关注的话题，针对市场需求与目前软件和硬件实现网络与信息安全的区别，为了使PC加密卡达到低成本、高效率的目的，设计了一种采用DSP技术的PC加密卡，通过对该卡原理上的分析，提出了一种运用TMS320C54x系列DSP芯片与PCI9054接口芯片共同实现网络加密卡的设计方案。
关键词：网络安全； 加密算法； DSP; PCI总线
中图分类号：
TN911.7-34
文献标识码：A
文章编号：1004-373X(2012)05
-0110
-04
Application of DSP in encryption card of PC
BIAN Dong-liang, CHEN Chang-xing, PENG Sha-sha, WANG Bo
(Science College, Air Force Engineering University, Xi’an 710051, China)
Abstract：
With the development of network, the security and secrecy in allusion to it have been the topics attracting more and more attentions. According to the demand of nowadays market and the distinction of software and hardware in the net and information achievement, and to achieve an effect of lessening the worth, an encryption card of PC based on DSP is designed. Through analyzing the design principle, an encryption card composed of the DSP of TMS320C54x and PCI9054 interface chip is proposed.
Keywords： security; encryption arithmetic; DSP; PCI Bus
收稿日期：2011-11-15
基金项目：军内武器系统科研项目(KJ2010182);陕西省电子信息系统综合集成重点实验室基金资助项目(201107Y16)
0 引 言
随着Internet/Intranet的迅速发展和普及，网络带来的直接和潜在的危险也在逐步增强，就如何确保网络信息的安全已成为人们越来越关注的焦点，个人和企业对业务的安全需求日益迫切，首当其冲的是军队信息在网络上的失泄密问题已造成的严重后果将直接关系到国家的安全与稳定。所以对各种安全防护措施与保密技术的要求越来越高，而密码技术作为一项有效解决网络安全问题的手段得到了越来越广泛的应用。如果网络上传输的信息和系统信息能够以加密的方式处理，将在很大程度上提高网络和信息的安全。然而，由于个人或一般办公室使用的都是低成本的PC电脑很难配备价格高昂的加密机，使用安全软件来实现加密和解密，虽然价格实惠，但对系统性能有极大的影响，也容易被黑客通过技术手段突破，此外，在安全程度与强度上也是与专门设计的硬件加密能力不能相比拟的。所以广大的网民尤其是经常处理涉密事件的单位与个人急需一种低成本、高性能的加密和解密的方案。在本文中，基于TI公司研发的高性能DSP如果应用在PC加密卡中，不失为一种有效的保密方法。
作为一种有效的网络安全解决方案，加密卡应当具有的功能如下：
(1) 使用密码算法对数据进行加密和解密，密码算法应当多种多样以便更换、定期升级解决硬件难以变动的缺点，减少用户投资。
(2) 应保护存储证书、密钥以及重要的数据，主密钥及重要的密钥应受到额外的保护，这种保护强度应超过其他通常的软件。
(3) 与主机、外围设备和系统软件有一个良好的接口，使用户还有研发升级软件的空间。
这些功能决定了PC加密卡的设计和目标的基本结构。
1 PC加密卡的基本结构
本文介绍的PC加密卡主要由DSP芯片、计算机总线接口(PCI)、板上的FLASH ROM、随机数生成模块和外部设备接口等组成。TI全新DSP TMS320C6x系列功能强，速度非常快，但价格过高，不适合应用于一般的加密和解密。中等性能的TMS320C54x系列，成本低，产品成熟，是一个更好的选择。在本文中的PC加密卡以TMS320C54x DSP为主CPU来实现加密算法的运算，很大程度上减轻了计算机CPU的计算负担，提高整体运算速度。又因为系列DSP产品具有HPI接口，因此可以很容易地实现DSP与PCI总线之间的连接。 所以该加密卡就需要在PCI总线平台上开发实现。
为了减少产品的开发时间和成本，以及获得更好的数据传输性能，通常使用通用PCI接口芯片。考虑到TMS320C54x 3.3 V低电压的运行环境与未来DSP的发展方向，PLX公司的PCI9054芯片是最好的选择。其两者的外围信号都是3.3 V电压。
另外采用FLASH ROM作为外部储存介质，存储所有的加密算法、主控程序和密钥管理程序，构成与DSP之间的密码算法运算和重要数据的存储平台。具体使用AMD公司512 KB的29LV040，选择此规格的原因：第一符合3.3 V的运行环境；第二除了存储程序外，依据容量还可存放数千个1 024 b的公钥或密钥，满足了更多通信系统安全的需要。图1是加密卡的基本框图。
2 PC加密卡的设计
虽然现在PC机的CPU运行速度越来越快，但加密和解密是一个极为复杂的过程，需要大量的科学计算霸占CPU的时间，这样会使CPU运行负荷，从而导致计算机系统的性能下降，其他方面工作的处理能力也会变得极为缓慢。而PC加密卡是一种专为加密和解密设计的硬件，配备专业的DSP信号处理芯片来专一地进行加解密的科学计算，分担了CPU的处理运算强度，提高了加解密的速度和PC的性能。 C54x系列的DSP芯片目前拥有主频高达500 MHz或以上超快速度，计算能力也可以实现200 MIPS的水平，并且有望进一步提高，使用C54x系列产品的另一个优势是它们采用同一套指令集，这就意味着有很好的软件兼容性，无需反复更新。
加密卡能够成功实现就依赖与上述各模块之间的协调工作。当系统启动时，DSP与FLASH ROM之间构成密码算法运算和重要数据存储的平台，DSP从FLASH ROM中调入预先设定好的加密算法和主控程序，并接收主机送来的指令和数据，由主控程序调入相应的加密算法程序，对数据进行加密或解密处理后，最终的数据由主机通过PCI接口芯片读出。
3 加密卡的功能描述
本PC加密卡所实现的主要功能有：
数据加密解密功能 这是PC加密卡所具有的最基本的功能。加密卡目前封装了DES,AES等对称加密算法，RSA等非对称公钥算法，以及MD5等Hash算法。DES是使用最广泛的密钥系统，特别是用在保护金融数据的安全中，该加密算法具有应用广、速度快的优点。AES作为新一代的数据加密标准，汇聚了强安全性、高性能、高效率、易用和灵活等优点，具有良好的应用前景。而MD5作为Hash算法，特点在于它是一种单向算法，用户可以通过Hash算法对目标信息生成一段特定长度的惟一的Hash值，却不能通过这个Hash值重新获得目标信息。因此Hash算法常用在不可还原的密码存储、信息完整性校验等。
数字签名与认证功能 主要利用RSA算法模块来实现。它是第一个既能用于数据加密也能用于数字签名的算法，易于理解和操作，也很流行。RSA是目前最有影响力的公钥加密算法，能够抵抗到目前为止已知的所有密码攻击，已被ISO推荐为公钥数据加密标准。经历了各种攻击，至今未被完全攻破。该算法特别适合在商业和金融业中的应用，为满足多方面的要求，在卡中实现了签名和认证功能。
密钥管理功能 密钥是加密与解密的核心，密钥的产生、保存、分配、修改与删除必须有一个完善的管理体系。而加密卡中的随机数生成模块便是完成这项任务的关键。该模块可以利用物理噪声源产生一个真正的随机数，这就保证了一切密钥都是在加密卡内部完成的，并且都是通过加密卡加密后才与外部进行交换。外界软件和系统只能得到其中的公钥，而无法得到私钥的任何信息，保证密钥的安全。
4 PCI9054简介
本文设计的PC加密卡，对接口芯片PCI9054的理解，涉及到产品的成败，下面对PCI9054的结构和功能进行简要的介绍。
PCI9054是美国PLX公司生产的一种功能强、灵活性大，并且符合PCI V2.2规范的32位33 MHz总线接口控制器，它的出现使原本复杂化的PIC接口应用设计变得简单明了，成为目前使用最广泛的PCI接口芯片之一，能够轻松实现TMS320C54x系列DSP的HPI接口与PCI总线之间的无缝连接。作为PCI目标设备，其传输速率最高可达132 MB/s。图2显示了PCI9054的内部结构框图。
从整体看，PCI9054共提供了三个对外接口：PCI总线接口、LOCAL总线接口和E2PROM接口。PCI9054可看做是一种“桥接”芯片，完成DSP与PC之间数据和信息传递。另外，PCI9054具有可选的串行E2PROM接口，用来存放配置信息，完成启动时9054板卡的“热插拔”功能。
PCI9054内部有6个FIFO，分别作为三种数据传输模式的读/写数据通道，这些FIFO最主要的作用是使LOCAL总线与PCI总线的操作相互独立完成，以及使PCI9054拥有零等待突发传输的能力。也是实现PCI9054同步的LOCAL总线与C54x异步的HPI接口之间信号逻辑转换的必备元素。LOCAL总线工作速率最高可达50 MHz。
4.1 PCI9054配置寄存器
PCI9054有5个内部寄存器：PCI配置寄存器、本地配置寄存器、运行寄存器、DMA寄存器组、消息队列寄存器等，是非常繁琐和复杂的。要想成功完成PCI9054的控制，就需要很好地理解与控制一些关键的寄存器。图3为PCI9054配置寄存器的信息。
PCI9054提供了一个256 B支持即插即用功能的兼容PCI标准配置空间。PCI9054的配置寄存器配置的读取和写入，通常通过BIOS支持的PCI总线的中断调用来实现。 BIOS中断调用，获取总线和单元号，进行配置的读写；配置HPI CSR的基址寄存器，以访问HPI CSR的地址；配置控制空间基地址寄存器，配置命令寄存器生产相应对的PCI周期。
4.2 PCI9054与DSP之间的传输过程
当PCI9054配置成功后，便可通过DSP芯片的HPI接口进行PC与DSP之间的数据传输。步骤如下：首先清除HPI的复位寄存器，PCI9054解析由PCI总线传来的新地址匹配控制空间寄存器的值，选取将要通信的DSP芯片。接着主机发起HPI控制寄存器的BOB和HWOB位，选择正确的字节定位，主机加载HPI地址寄存器，DSP便完成了一次完整的HPI存储器的访问，数据被放置在HPI数据寄存器里，最后主机从HPI数据寄存器里读写数据。由此便完成了PC与DSP之间数据的传输。
5 结 语
本文介绍了一种新型基于DSP技术上的PC加密卡设计方案及原理，具有成本低、性能高、操作简便等特点，是抵抗网络信息危险与黑客窃密的有力武器，由于其各方面性价比的优势，适用于个人、企业、军队等广泛领域，是保证信息安全必不可少的元素，具有广阔的应用前景。
参 考 文 献
[1]朱伟，李伟。基于PCI9054的PXI总线接口设计[J].机械与电子，2011(11):528-529.
[2]蒋彦，王建，刘亚丽。基于DSP和PCI总线的通用数字信号处理系统[J].计算机应用技术，2008(4):43-45.
[3]雷宇。一种高效的DSP与FPGA的数据交换结构设计[J].价值工程，2011(11):196-197.
[4]周霖。DSP信号处理技术应用[M].北京：国防工业出版社，2004.
[5]Texas Instruments. TMSC320C54x DSP reference set [M]. [S.l.]: Texas Instruments, 1996.
[6]刘明珍。密码技术DES和RSA的比较与应用[J].煤炭技术，2011,30(6):176-178.
[7]马卫国，何佩琨。通用高速PCI总线目标模块的设计[J].电子技术应用，1999(1):11-14.
[8]卢开澄。计算机密码学[M].2版。北京：清华大学出版社，1998.
[9]徐小云，禹思敏，徐礼国。基于DSP的混沌数字图像加密与硬件实现[J].电子科技，2011,24(3):1-5.
[10]常少卿，任芳。基于FPGA的3DES加密系统的设计与实现[J].现代电子技术，2011,34(18)：114-116.
作者简介：
卞东亮 男，1988年出生，山东乐陵人，硕士在读。主要研究�
(上接第109页)
图3和图4中横轴单位均为s，纵轴单位均为dB。通过比较图3和图4发现实际产生的结果与仿真结果大致相同，
4 结 语
本文采用Jakes改进模型，基于FPGA模拟了无线信道的传输特性，最终经过验证基本满足要求。为了简化实现过程，将系数取整以及传输数据进行截断，产生一些误差，在这方面可以采用浮点数表示系数得到更精确的值。
参 考 文 献
[1]杨大成。移动传播环境[M].北京：机械工业出版社，2003.
[2]JAKES W C. Microwave mobile communications [M]. New York: Wiley,1974.
[3]夏宇闻。Verilog数字系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.
[4]BROWN Stephen, VRANESIC Zvonko.Fundamentals of digital logic with Verilog design [M]. 2nd. USA: McGraw-Hill,2001.
[5]BROWN S, ROSE J. FPGA and CPLD architectures: a tutorial [J]. IEEE Design and Test of Computers,1996,12(2): 42-57.
[6]BROWN S D, FRANCIS R, ROSE J, et al. Field-programmable gate Arrays [M]. Netherland: Kluwer Academic Publishers, 1992.
[7]Xilinx. Virtex-2po user guide [EB/OL].
[8]Xilinx. Advantages of virtex-5 FPGA 6-input LUT architecture [EB/OL].
DSP技术发展趋势的研究与探讨
摘要：介绍了数字信号处理技术(DSP)，DSP技术以及为什么采用DSP技术。并论述了DSP技术与传统单片机相比较具有的优点和它未来的发展趋势。
关键词：DSP;DSP技术
中图分类号：TP368.1 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 (2012) 10-0044-01
一、引言
数字信号处理(Digital Signal Processing，即DSP)，起源于上个世纪80年代，是一门涉及到许多学科并且广泛应用在很多领域的热门学科。它利用微型计算机、专用处理设备，以数字方式对信号的采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别处理，得到人们需要的信号形式。它紧紧围绕着数字信号处理的理论、实现以及应用发展。
二、DSP技术
数字信号处理(DSP)的理论基础涉及的范围非常广泛。比如微积分、概率统计、随机过程、数值分析等数学基础是数字信号处理的基本工具，同时它与网络理论、信号与系统、控制理论、通信原理、故障诊断，传感器技术等密切相关，还有近些年来蓬勃发展的一些学科：人工智能、模式识别、神经网络等，都与数字信号处理密不可分。
正是由于有这些理论发展的前提基础，和广泛的市场需求，DSP处理的器件也应运而生，在广泛应用在各个领域的同时得到迅速的发展。世界上第一个单片DSP芯片是1978年AMI公司发布的S2811，在这之后，1979年美国Intel公司发布的商用可编程器件2920是DSP芯片的一个非常重要的里程碑。即使这两种芯片内部没有现代DSP芯片的单周期乘法器，但是他们为DSP的蓬勃、迅速发展奠定了很重要的基础。接着，1980年，日本NEC公司推出了第一个具有乘法器的商用DSP芯片，随后，美国德州仪器公司(TI公司)推出一系列DSPs产品，广泛地应用在信号处理的各个领域。
三、DSP技术的优点
和单片机比较而言，DSPs具有集成度高、CPU快速、存储器容量大，并内置了波特率发生器、FIFO缓冲器，可提供高速、同步串口、标准异步串口。一些dsp芯片内还集成了模数转换、采样/保持电路，PWM输出。DSP芯片采用改进的哈佛结构，内置高速硬件乘、加法器，多级流水线，使DSPs的数据运算大幅度提高。
据统计分析DSPs比传统的16位单片机单指令执行时间快8到10倍，一次乘加运算的时间快16到30倍。DSPs还提供了高度专业化的指令集，提高了FFT(快速傅里叶变换)、滤波器的运算速度。与此同时，DSPs提供JTAG接口和先进的开发手段，使得批量生产、测试更为方便。开发工具ccs可实现全空间透明仿真，软件开发具有汇编/链接C编译器、C源码调试器，有很强的可移植性。
总的来说，DSPs器件具有以下优点：
1.在一个指令周期内能够完成一次乘法、一次加法；
2.程序空间以及数据空间分开，能够同时访问指令和数据；
3.片内具有快速RAM，可通过独立的数据总线同时访问多片RAM;
4.具有循环、跳转的硬件支持；
5.快速的中断处理、I/O(输入输出)支持；
6.在单周期内可同时操作多个硬件地址产生器；
7.并行操作流畅；
8.支持流水线操作方便，使取指、译码和执行等操作可以同步、重叠进行。
同时，它还具有精度高，抗干扰能力强，稳定性好，功耗低以及编程方便，接口简单，电路集成方便等方面的优势。
四、DSP技术的发展趋势
随着数字化的进程快速提高，DSPs技术的地位不断突显，作为数字化处理的基础技术，实时处理数字信号都是由通用型或专业性的DSPs来完成的。正是因为DSPs这种强大的实时处理能力，使得DSPs在声音信号处理、图像处理、模式识别方面不可或缺。随着数字时代的不断前行，它未来的发展趋势可以从以下两个方面来完善：
(一)与ARM(Advanced RISC Machines)相结合。ARM架构是面向低预算市场设计的一款RISC微处理器，以32位单片机的行业标准，提供一系列内核、体系扩展、微处理器以及系统芯片方案，四个功能模块可供生产厂商根据不同用户的要求来配置生产。ARM具有较强的事务管理功能，在控制方便具有很强的优势，而DSPs具有强大的数据处理能力和很高的运行速度。将两者结合起来可以更好的进行数字信号处理，以及实现相应的控制功能。
(二)与FPGA(Field Programmable Gate Array)结合使用。即与现场可编程门阵列巧妙的结合起来。FPGA是在PAL、GAL、PLD等可编程器件的基础发展起来的，是ASIC(即为专用集成电路)中集成度最高的一种电子设备。FPGA采用逻辑单元阵列(Logic Cell Array)，包括可配置逻辑模块(Configurable Logic Block)、输出输入模块(Input Output Block)以及内部连线(Interconnect)三部分。通过对FPGA内部逻辑模块、I/O模块的配置，可以实现不同的逻辑状态。同时，FPAG还具有静态可重复编程、动态在系统重构的特性，这使得硬件的功能能够像软件一样通过编程来实现。它与DSP芯片集成，可以在很大程度上提高信号处理的速度，将会使得DSPs在无线通信、多媒体领域有更加广泛的应用。
参考文献：
[1]刘艳萍。DSP 技术原理及应用教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005
[2]戴明桢，周建江。TMS320C54x DSP 结构原理及应用[M].北京：北京航天航空大学出版社，2001
[3]彭启宗。TMS320C54x 实用教程[M].成都：电子科技大学出版社，2004
[4]张雄伟，陈亮，徐光辉。DSP 芯片的原理与开发应用[M](第3版).北京：电子工业出版社，2003
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