《DNK210使用指南 -SDK版 V1.0》第二十七章 高级加密加速器实验

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第二十七章 高级加密加速器实验

       本章将介绍Kendryte K210的AES模块的使用，通过AES256加密实验帮助读者了解AES相关知识。通过本章的学习，读者将会对Kendryte K210内置的硬件AES模块有初步认知和应用能力。
       本章分为如下几个小节：
       27.1 AES介绍
       27.2 硬件设计
       27.3 程序设计
       27.4 运行验证

       27.1 AES介绍
       Kendryte K210内置AES（高级加密加速器），相对于软件可以极⼤的提高AES运算速度。 AES加速器支持多种加密/解密模式（ECB,CBC,GCM）,多种⻓度的KEY（ECB,CBC,GCM）的运算。
       AES 加速器是用来加密和解密的模块，具体性能如下：
       1. 支持ECB，CBC，GCM三种加密方式
       2. 支持128位，192位，256位三种长度的KEY
       3. KEY可以通过软件配置，受到硬件电路保护
       4. 支持DMA传输
       Kendryte K210提供了非常多操作AES的API函数，我们这里就不一一详细讲解，大家可以自行参考官方库文件aes.c和aes.h，本章以AES256实验为例，以表格的形式讲述部分用到的函数，这些函数介绍如下：

表27.1.1 AES部分API函数介绍

       27.2 硬件设计

       27.2.1 例程功能

       1. 计算并打印输出AES的ECB模式、CBC模式和 GCM 模式对数据加密处理的时间（包括软件和硬件的对比时间，CPU 和 DMA 使用的是硬件的 AES ）。

       27.2.2 硬件资源

       1.USB接口
              UARTHS_TX – IO5
              UARTHS_RX – IO4

       27.2.3 原理图
       本章实验内容，主要讲解AES模块的使用，无需关注原理图。

       27.3 程序设计

       27.3.1 main.c代码
       本章例程均来自官方SDK的DEMO，本章仅简单介绍下maic.c文件部分函数的功能，代码如下所示：

1. int main(void)
   
2. {
   
3.     aes_cipher_mode_t cipher;
   
4.     printf("begin test %d\n", get_time_flag);
   
5. 
   
6.     for (cipher = AES_ECB; cipher < AES_CIPHER_MAX; cipher++)
   
7.     {
   
8.         printf("[%s] test all byte ... \n", cipher_name[cipher]);
   
9.         if (AES_CHECK_FAIL == aes_check_all_byte(cipher))
   
10.         {
    
11.             printf("aes %s check_all_byte fail\n", cipher_name[cipher]);
    
12.             return -1;
    
13.         }
    
14. 
    
15.         printf("[%s] test all key ... \n", cipher_name[cipher]);
    
16.         if (AES_CHECK_FAIL == aes_check_all_key(cipher))
    
17.         {
    
18.             printf("aes %s check_all_key fail\n", cipher_name[cipher]);
    
19.             return -1;
    
20.         }
    
21. 
    
22.         printf("[%s] test all iv ... \n", cipher_name[cipher]);
    
23.         if (AES_CHECK_FAIL == aes_check_all_iv(cipher))
    
24.         {
    
25.             printf("aes %s check_all_iv fail\n", cipher_name[cipher]);
    
26.             return -1;
    
27.         }
    
28.         
    
29.         printf("[%s] [%ld bytes] cpu time = %ld us, dma time = %ld us, soft time = %ld us\n", cipher_name[cipher],
    
30.                 AES_TEST_DATA_LEN,
    
31.                 cycle[cipher][AES_HARD][AES_CPU]/(sysctl_clock_get_freq(SYSCTL_CLOCK_CPU)/1000000),
    
32.                 cycle[cipher][AES_HARD][AES_DMA]/(sysctl_clock_get_freq(SYSCTL_CLOCK_CPU)/1000000),
    
33.                 cycle[cipher][AES_SOFT][AES_CPU]/(sysctl_clock_get_freq(SYSCTL_CLOCK_CPU)/1000000));
    
34.     }
    
35.     printf("aes-256 test pass\n");
    
36.     while (1)
    
37.         ;
    
38.     return 0;
    
39. }

复制代码

       可以看到，mian函数主要的功能是通过一个for循环，把 AES 的三种模式（ECB/CBC/GCM）对应的时间打印出来。

1. check_result_t aes_check_all_byte(aes_cipher_mode_t cipher)
   
2. {
   
3.     uint32_t check_tag = 0;
   
4.     uint32_t index = 0;
   
5.     size_t data_len = 0;
   
6.     memset(aes_hard_in_data, 0, AES_TEST_PADDING_LEN);
   
7.     if (cipher == AES_GCM)
   
8.         iv_len = iv_gcm_len;
   
9.     for (index = 0; index < (AES_TEST_DATA_LEN < 256 ? AES_TEST_DATA_LEN : 256); index++)
   
10.     {
    
11.         aes_hard_in_data[index] = index;
    
12.         data_len++;
    
13. 
    
14.         AES_DBG("[%s] test num: %ld \n", cipher_name[cipher], data_len);
    
15.         if (aes_check(aes_key, key_len, aes_iv, iv_len, aes_aad, aad_len, cipher, aes_hard_in_data, data_len)
    
16.             == AES_CHECK_FAIL)
    
17.             check_tag = 1;
    
18.     }
    
19. 
    
20.     memset(aes_hard_in_data, 0, AES_TEST_PADDING_LEN);
    
21.     get_time_flag = 1;
    
22.     data_len = AES_TEST_DATA_LEN;
    
23.     AES_DBG("[%s] test num: %ld \n", cipher_name[cipher], data_len);
    
24.     for (index = 0; index < data_len; index++)
    
25.         aes_hard_in_data[index] = index % 256;
    
26.     if (aes_check(aes_key, key_len, aes_iv, iv_len, aes_aad, aad_len, cipher, aes_hard_in_data, data_len)
    
27.         == AES_CHECK_FAIL)
    
28.         check_tag = 1;
    
29.     get_time_flag = 0;
    
30.     if(check_tag)
    
31.         return AES_CHECK_FAIL;
    
32.     else
    
33.         return AES_CHECK_PASS;
    
34. }

复制代码

       AES检测所有byte。

1. check_result_t aes_check_all_key(aes_cipher_mode_t cipher)
   
2. {
   
3.     size_t data_len = 0;
   
4.     uint32_t index = 0;
   
5.     uint32_t i = 0;
   
6.     uint32_t check_tag = 0;
   
7. 
   
8.     memset(aes_hard_in_data, 0, AES_TEST_PADDING_LEN);
   
9.     if (cipher == AES_GCM)
   
10.         iv_len = iv_gcm_len;
    
11.     data_len = AES_TEST_DATA_LEN;
    
12.     for (index = 0; index < data_len; index++)
    
13.         aes_hard_in_data[index] = index;
    
14.     for (i = 0; i < (256 / key_len); i++)
    
15.     {
    
16.         for (index = i * key_len; index < (i * key_len) + key_len; index++)
    
17.             aes_key[index - (i * key_len)] = index;
    
18.         if (aes_check(aes_key, key_len, aes_iv, iv_len, aes_aad, aad_len, cipher, aes_hard_in_data, data_len)
    
19.             == AES_CHECK_FAIL)
    
20.             check_tag = 1;
    
21.     }
    
22.     if(check_tag)
    
23.         return AES_CHECK_FAIL;
    
24.     else
    
25.         return AES_CHECK_PASS;
    
26. }

复制代码

       AES检测所有key。

1. check_result_t aes_check_all_iv(aes_cipher_mode_t cipher)
   
2. {
   
3.     size_t data_len = 0;
   
4.     uint32_t index = 0;
   
5.     uint32_t i = 0;
   
6.     uint8_t check_tag = 0;
   
7. 
   
8.     memset(aes_hard_in_data, 0, AES_TEST_PADDING_LEN);
   
9.     if (cipher == AES_GCM)
   
10.         iv_len = iv_gcm_len;
    
11.     data_len = AES_TEST_DATA_LEN;
    
12.     for (index = 0; index < data_len; index++)
    
13.         aes_hard_in_data[index] = index;
    
14.     for (i = 0; i < (256 / iv_len); i++)
    
15.     {
    
16.         for (index = i * iv_len; index < (i * iv_len) + iv_len; index++)
    
17.             aes_iv[index - (i * iv_len)] = index;
    
18.         if (aes_check(aes_key, key_len, aes_iv, iv_len, aes_aad, aad_len, cipher, aes_hard_in_data, data_len)
    
19.             == AES_CHECK_FAIL)
    
20.             check_tag = 1;
    
21.     }
    
22.     if(check_tag)
    
23.         return AES_CHECK_FAIL;
    
24.     else
    
25.         return AES_CHECK_PASS;
    
26. }

复制代码

       AES检测所有IV。

       27.4 运行验证
       将DNK210开发板连接到电脑主机，通过VSCode将固件烧录到开发板中，我们打开“串口终端”，可以看到串口中断不断的打印数据，如下图所示：

图27.4.1 “串行终端”窗口打印输出