SM4算法verilog如何设计

SM4算法的Verilog设计通常包含以下几个模块：

1. SubBytes模块：用于S盒代换操作，将输入的128位数据进行字节代换。

2. ShiftRows模块：用于行移位操作，将输入的128位数据进行行移位操作。

3. MixColumns模块：用于列混淆操作，将输入的128位数据进行列混淆操作。

4. AddRoundKey模块：用于轮密钥加操作，将输入的128位数据与轮密钥进行异或操作。

5. KeyExpansion模块：用于密钥扩展操作，将输入的128位密钥扩展成32个轮密钥。

下面是一个简单的SM4算法的Verilog设计示例：

module sm4 (
  input        clk,
  input        rst,
  input [127:0] plaintext,
  input [127:0] key,
  output reg [127:0] ciphertext
);

parameter ROUNDS = 32;

reg [127:0] roundkey [0:ROUNDS-1];
reg [127:0] state;

// SubBytes模块
module SubBytes(input [7:0] in, output reg [7:0] out);

  always @(*) begin
    case(in)
      8'h00: out = 8'h63;
      8'h01: out = 8'h7C;
      8'h02: out = 8'h77;
      ...
      8'hFE: out = 8'hE8;
      8'hFF: out = 8'h03;
    endcase
  end

endmodule

// ShiftRows模块
module ShiftRows(input [31:0] in, output reg [31:0] out);

  always @(*) begin
    out[ 7: 0] = in[ 7: 0];
    out[11: 8] = in[15:12];
    out[15:12] = in[23:20];
    out[19:16] = in[31:28];
    out[23:20] = in[ 3: 0];
    out[27:24] = in[11: 8];
    out[31:28] = in[19:16];
    out[ 3: 0] = in[27:24];
  end

endmodule

// MixColumns模块
module MixColumns(input [31:0] in, output reg [31:0] out);

  always @(*) begin
    out[ 7: 0] = in[ 7: 0] ^ in[11: 8] ^ in[15:12] ^ in[19:16];
    out[11: 8] = in[11: 8] ^ in[15:12] ^ in[19:16] ^ in[23:20];
    out[15:12] = in[15:12] ^ in[19:16] ^ in[23:20] ^ in[27:24];
    out[19:16] = in[19:16] ^ in[23:20] ^ in[27:24] ^ in[31:28];
    out[23:20] = in[23:20] ^ in[27:24] ^ in[31:28] ^ in[ 3: 0];
    out[27:24] = in[27:24] ^ in[31:28] ^ in[ 3: 0] ^ in[ 7: 4];
    out[31:28] = in[31:28] ^ in[ 3: 0] ^ in[ 7: 4] ^ in[11: 8];
    out[ 3: 0] = in[ 3: 0] ^ in[ 7: 4] ^ in[11: 8] ^ in[15:12];
  end

endmodule

// AddRoundKey模块
module AddRoundKey(input [127:0] state, input [127:0] roundkey, output reg [127:0] out);

  always @(*) begin
    out = state ^ roundkey;
  end

endmodule

// KeyExpansion模块
module KeyExpansion(input [127:0] key, output reg [127:0] roundkey [0:ROUNDS-1]);

  reg [31:0] w [0:43];

  always @(*) begin
    w[0] = key[127:96] ^ 32'd0;
    w[1] = key[ 95:64] ^ 32'd0;
    w[2] = key[ 63:32] ^ 32'd0;
    w[3] = key[ 31: 0] ^ 32'd0;

    for (i = 4; i <= 43; i = i + 1) begin
      if (i mod 4 == 0) begin
        w[i] = w[i-4] ^ SubBytes(w[i-1] ^ 32'h01000000) ^ 32'h18R;
      end else begin
        w[i] = w[i-4] ^ w[i-1];
      end
    end

    for (i = 0; i < ROUNDS; i = i + 1) begin
      roundkey[i] = { w[4*i], w[4*i+1], w[4*i+2], w[4*i+3] };
    end
  end

endmodule

// SM4模块
initial begin
  KeyExpansion(key, roundkey);
end

always @(posedge clk) begin
  if (rst == 1'b1) begin
    state <= plaintext;
  end else begin
    AddRoundKey(state, roundkey[0], state);
    for (i = 1; i < ROUNDS; i = i + 1) begin
      SubBytes(state, state);
      ShiftRows(state, state);
      MixColumns(state, state);
      AddRoundKey(state, roundkey[i], state);
    end
    SubBytes(state, state);
    ShiftRows(state, state);
    AddRoundKey(state, roundkey[ROUNDS], ciphertext);
  end
end

endmodule

上面的代码只是一个简单的示例，真实的SM4算法的Verilog设计还需要考虑更多的细节问题，例如时序约束、测试和验证等。