Modelsim中DES硬件实现：密钥扩展与明文通路设计

本文主要介绍了在Modelsim环境下使用Verilog语言实现数据加密标准DES（Data Encryption Standard）的硬件设计，着重于密钥扩展通路和明文通路的设计与验证。DES是一种广泛应用于数据加密的块密码算法，其核心思想是通过迭代的方式执行一系列复杂的逻辑操作来加密和解密数据。 首先，DES顶层模块定义了所需的主要接口，包括时钟(clk)、复位信号(rst_n)、输入明文(desIn)和密钥(keyIn)，以及用于解密操作的decrypt输入、启动信号(start)、输出加密结果(desOut)和状态标志位(ready)。设计者使用了一种可配置的轮数选择器(roundSel)，用于在不同轮数下控制DES算法的执行流程。 代码中的关键部分展示了DES的两个实现方法：Round Based（基于轮的）和Pipeline（流水线）。在Round Based方法中，设计者使用了异或(XOR)和非门(Not)等基本逻辑门来实现F函数和S盒(S-box)的替换操作，然后通过循环结构逐步处理每个轮次的输入，将轮函数的结果与上一轮的输入进行异或操作，存储在变量L和R中。而Pipeline方法则是将DES的各个步骤分解成多个独立的逻辑单元，通过流水线并行执行，以提高处理速度。 在时序逻辑部分，设计者使用了异步时钟边缘触发的D触发器来保存轮函数的结果，并根据rst_n和start信号的组合条件来更新状态。当系统处于空闲状态(ready=1)时，DES处于等待状态；当start信号被激活且不是初始启动状态时，系统开始处理输入数据。 值得注意的是，DES算法的密钥扩展是其安全性的重要组成部分，它涉及到从原始64位密钥通过特定算法扩展得到56位的有效轮密钥。由于原文没有提供完整的密钥扩展代码，这部分可能是通过单独的子模块或自定义逻辑实现的，但可以推断其是通过扩展函数E()对原始密钥进行位操作来生成的。 这篇文章详细地展示了如何在Verilog中设计和实现DES的硬件实现，特别是密钥扩展和明文处理部分，这对于理解DES的工作原理和硬件实现技术具有很高的价值。对于从事信息安全和嵌入式系统的开发人员来说，理解和掌握这样的实现方法对于实现安全的数据传输至关重要。同时，模型化工具如Modelsim在这个过程中也起到了至关重要的作用，使得设计者能够进行有效的验证和调试。