用C 语言描述AES256 加密算法

高级加密标准 （AES） 已经成为很多应用（诸如嵌入式系统中的应用等）中日渐流行的密码规范。自从 2002 年美国国家标准技术研究所 （NIST） 将此规范选为标准规范以来，处理器、微控制器、FPGA 和 SoC 应用的开发人员就开始利用 AES 来保护输入、输出及保存在系统中的数据。我们可在更高抽象层上非常高效地描述算法，就像用于传统软件开发中那样；但由于涉及到的操作，该算法在 FPGA 中实现起来最为高效。开发人员甚至可在布线中“免费”获得一些操作。

基于这些原因，AES 是个绝佳的例子，即开发人员可利用 C 语言描述算法，然后在硬件中加速实现，从而受益于赛灵思 SDSoC？ 开发环境。本文中我们就是要这样做，首先熟悉一下 AES 算法，然后在赛灵思 Zynq？-7000 All Programmable SoC 的处理系统 （PS） 上实现 AES256（256 位秘钥长度）以建立软件性能基准，然后再在片上可编程逻辑 （PL） 中进行加速。为了完全了解可获得的优势，我们将在 SDSoC 环境所支持的全部三个操作系统中执行这几个步骤，三个操作系统为：Linux、FreeRTOS 和裸机。

算法

AES 属于对称块密码，可采用 128、192 和 256 位不同的秘钥长度。秘钥长度决定加密或解密数据所需的处理步骤数。顾名思义，块密码算法采用的是数据块。AES 算法一次处理 16 字节的固定模块。因此，如果我们密码内容少于 16 字节，就必须将未使用的字节进行填充。

由于 AES 是对称密码，信息加密和解密都采用相同的做法和秘钥。相反，非对称算法（例如 RSA）则使用不同秘钥进行数据加密和解密。

AES 算法中四个阶段中每个阶段都代表一个状态。四个 AES 阶段的组合称为一个循环。所需循环的数量取决于秘钥长度。

很简单，AES 状态起始于我们要加密的 16 个字节。每个新步骤都会对状态进行更新。处理状态之前，我们需要将输入字节串变为初始状态，即 4 x 4 矩阵（图 1）。