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單片機(jī)的內(nèi)置硬件加速器是為了提高特定任務(wù)的處理速度和效率而設(shè)計的專用硬件模塊。這些加速器可以顯著減輕CPU的負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)的整體性能。常見的硬件加速器包括DMA控制器、硬件乘法器、硬件除法器、加密/解密加速器、哈希算法加速器等。下面我們一起來看下加密/解密加速器。

1. AES的誕生與核心特點(diǎn)‌

‌取代DES的必然性‌

AES的前身是DES（Data Encryption Standard），但隨著計算機(jī)算力的提升，DES的56位密鑰長度已無法抵御暴力破解。1997年NIST發(fā)起公開競賽，最終比利時密碼學(xué)家設(shè)計的‌Rijndael算法‌勝出，成為AES標(biāo)準(zhǔn)。

‌核心優(yōu)勢‌

·‌密鑰靈活‌：支持128、192、256位三種密鑰長度，安全性遞增。

·‌高效加解密‌：基于分組密碼設(shè)計，適合硬件加速和并行計算。

·‌抗攻擊性強(qiáng)‌：至今無已知的實(shí)用化數(shù)學(xué)漏洞攻擊手段。

2. AES算法結(jié)構(gòu)與加密流程‌

AES將明文劃分為‌128位（16字節(jié)）的塊‌進(jìn)行加密，核心流程包含多輪迭代的替代和置換操作。以128位密鑰為例，加密過程共‌10輪‌（不同密鑰長度輪數(shù)不同）。

‌2.1 加密核心步驟‌

.‌初始輪密鑰加（AddRoundKey）‌

將明文塊與首輪密鑰按字節(jié)異或（XOR），作為后續(xù)處理的輸入。

.‌輪函數(shù)迭代（共10輪）‌

每輪包含四個關(guān)鍵操作：

·‌字節(jié)代換（SubBytes）‌：通過S盒（非線性替換表）將每個字節(jié)映射為新值，提供混淆性。

·‌行移位（ShiftRows）‌：將狀態(tài)矩陣的每行循環(huán)左移不同位數(shù)（第0行不移，第1行移1位，依此類推），破壞數(shù)據(jù)局部性。

·‌列混淆（MixColumns）‌：對每列進(jìn)行矩陣乘法運(yùn)算，擴(kuò)散比特間的關(guān)聯(lián)性。

·‌輪密鑰加（AddRoundKey）‌：將當(dāng)前輪密鑰與狀態(tài)矩陣異或。

.‌最終輪（省略MixColumns）‌

第10輪僅執(zhí)行SubBytes、ShiftRows和AddRoundKey，提升算法安全性。

‌2.2 密鑰擴(kuò)展（Key Expansion）‌

通過密鑰擴(kuò)展算法，將初始密鑰生成多輪使用的子密鑰：

·‌輪常量（Rcon）‌：每輪使用不同的常數(shù)消除對稱性。

·‌S盒替換與循環(huán)移位‌：確保子密鑰不可預(yù)測。

‌3. AES的工作模式‌

為加密長于128位的數(shù)據(jù)，AES需結(jié)合‌工作模式‌，常見模式包括：

·‌ECB（電子密碼本）‌：每個塊獨(dú)立加密，簡單但相同明文生成相同密文，易遭模式分析攻擊。

·‌CBC（密碼塊鏈接）‌：引入初始化向量（IV），前一塊密文與當(dāng)前明文異或后再加密，提升安全性。

·‌CTR（計數(shù)器模式）‌：將計數(shù)器加密后與明文異或，支持并行計算，適合實(shí)時流數(shù)據(jù)。

·‌GCM（伽羅瓦/計數(shù)器模式）‌：結(jié)合CTR加密和GHASH認(rèn)證，實(shí)現(xiàn)加密與完整性校驗(yàn)（如TLS 1.3標(biāo)準(zhǔn)）。

‌4. AES-GCM算法與硬件加速原理‌

‌4.1 算法流程‌

·‌加密過程‌：明文通過AES-CTR模式加密，同時使用Galois域乘法生成認(rèn)證標(biāo)簽（TAG）。

·‌認(rèn)證機(jī)制‌：關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)（AAD）和密文共同參與TAG計算，確保數(shù)據(jù)完整性。

‌4.2 硬件加速優(yōu)勢‌

·‌并行計算‌：硬件模塊獨(dú)立處理加解密與認(rèn)證，減少CPU占用。

·‌時鐘周期優(yōu)化‌：專用電路實(shí)現(xiàn)AES輪函數(shù)，速度提升10倍以上（對比軟件實(shí)現(xiàn)）。

‌5. STM32硬件加密模塊解析‌

‌5.1 支持型號‌

·‌STM32H7/H5系列‌：集成AES-256硬件加速器，支持GCM模式。

·‌L4+/U5系列‌：部分型號支持AES-128/256，需結(jié)合DMA優(yōu)化吞吐量。

‌5.2 關(guān)鍵寄存器與功能‌

·‌AES_CR‌：控制模式（如GCM）、密鑰長度、加解密方向。

·‌AES_DIN/DOUT‌：數(shù)據(jù)輸入/輸出寄存器，支持DMA傳輸。

·‌AES_IVR‌：初始化向量（IV）配置，需確保唯一性。

6.典型應(yīng)用案例‌

‌案例1：安全固件升級‌

·使用AES-GCM加密固件鏡像，通過硬件加速實(shí)現(xiàn)快速解密與認(rèn)證。

·密鑰通過STM32的OTP（One-Time Programmable）區(qū)域保護(hù)。

‌案例2：工業(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)‌

·傳感器節(jié)點(diǎn)通過硬件加速實(shí)時加密采集數(shù)據(jù)，確保傳輸?shù)皆贫说臋C(jī)密性。