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
上表介绍了AES256操作所用到的所有API函数。
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：
int main(void)
{
aes_cipher_mode_t cipher;
printf("begin test %d\n", get_time_flag);
for (cipher = AES_ECB; cipher < AES_CIPHER_MAX; cipher++)
{
printf("[%s] test all byte ... \n", cipher_name[cipher]);
if (AES_CHECK_FAIL == aes_check_all_byte(cipher))
{
printf("aes %s check_all_byte fail\n", cipher_name[cipher]);
return -1;
}
printf("[%s] test all key ... \n", cipher_name[cipher]);
if (AES_CHECK_FAIL == aes_check_all_key(cipher))
{
printf("aes %s check_all_key fail\n", cipher_name[cipher]);
return -1;
}
printf("[%s] test all iv ... \n", cipher_name[cipher]);
if (AES_CHECK_FAIL == aes_check_all_iv(cipher))
{
printf("aes %s check_all_iv fail\n", cipher_name[cipher]);
return -1;
}
printf("[%s] [%ld bytes] cpu time = %ld us, dma time = %ld us, soft time = %ld us\n", cipher_name[cipher],
AES_TEST_DATA_LEN,
cycle[cipher][AES_HARD][AES_CPU]/(sysctl_clock_get_freq(SYSCTL_CLOCK_CPU)/1000000),
cycle[cipher][AES_HARD][AES_DMA]/(sysctl_clock_get_freq(SYSCTL_CLOCK_CPU)/1000000),
cycle[cipher][AES_SOFT][AES_CPU]/(sysctl_clock_get_freq(SYSCTL_CLOCK_CPU)/1000000));
}
printf("aes-256 test pass\n");
while (1)
;
return 0;
}
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。
check_result_t aes_check_all_byte(aes_cipher_mode_t cipher)
{
uint32_t check_tag = 0;
uint32_t index = 0;
size_t data_len = 0;
memset(aes_hard_in_data, 0, AES_TEST_PADDING_LEN);
if (cipher == AES_GCM)
iv_len = iv_gcm_len;
for (index = 0; index < (AES_TEST_DATA_LEN < 256 ? AES_TEST_DATA_LEN : 256); index++)
{
aes_hard_in_data[index] = index;
data_len++;
AES_DBG("[%s] test num: %ld \n", cipher_name[cipher], data_len);
if (aes_check(aes_key, key_len, aes_iv, iv_len, aes_aad, aad_len, cipher, aes_hard_in_data, data_len)
== AES_CHECK_FAIL)
check_tag = 1;
}
memset(aes_hard_in_data, 0, AES_TEST_PADDING_LEN);
get_time_flag = 1;
data_len = AES_TEST_DATA_LEN;
AES_DBG("[%s] test num: %ld \n", cipher_name[cipher], data_len);
for (index = 0; index < data_len; index++)
aes_hard_in_data[index] = index % 256;
if (aes_check(aes_key, key_len, aes_iv, iv_len, aes_aad, aad_len, cipher, aes_hard_in_data, data_len)
== AES_CHECK_FAIL)
check_tag = 1;
get_time_flag = 0;
if(check_tag)
return AES_CHECK_FAIL;
else
return AES_CHECK_PASS;
}
AES检测所有byte。
check_result_t aes_check_all_key(aes_cipher_mode_t cipher)
{
size_t data_len = 0;
uint32_t index = 0;
uint32_t i = 0;
uint32_t check_tag = 0;
memset(aes_hard_in_data, 0, AES_TEST_PADDING_LEN);
if (cipher == AES_GCM)
iv_len = iv_gcm_len;
data_len = AES_TEST_DATA_LEN;
for (index = 0; index < data_len; index++)
aes_hard_in_data[index] = index;
for (i = 0; i < (256 / key_len); i++)
{
for (index = i * key_len; index < (i * key_len) + key_len; index++)
aes_key[index - (i * key_len)] = index;
if (aes_check(aes_key, key_len, aes_iv, iv_len, aes_aad, aad_len, cipher, aes_hard_in_data, data_len)
== AES_CHECK_FAIL)
check_tag = 1;
}
if(check_tag)
return AES_CHECK_FAIL;
else
return AES_CHECK_PASS;
}
AES检测所有key。
check_result_t aes_check_all_iv(aes_cipher_mode_t cipher)
{
size_t data_len = 0;
uint32_t index = 0;
uint32_t i = 0;
uint8_t check_tag = 0;
memset(aes_hard_in_data, 0, AES_TEST_PADDING_LEN);
if (cipher == AES_GCM)
iv_len = iv_gcm_len;
data_len = AES_TEST_DATA_LEN;
for (index = 0; index < data_len; index++)
aes_hard_in_data[index] = index;
for (i = 0; i < (256 / iv_len); i++)
{
for (index = i * iv_len; index < (i * iv_len) + iv_len; index++)
aes_iv[index - (i * iv_len)] = index;
if (aes_check(aes_key, key_len, aes_iv, iv_len, aes_aad, aad_len, cipher, aes_hard_in_data, data_len)
== AES_CHECK_FAIL)
check_tag = 1;
}
if(check_tag)
return AES_CHECK_FAIL;
else
return AES_CHECK_PASS;
}
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