AES算法是一种广泛使用的加密标准，具有设计简单、易于实现、灵活性强以及良好的并行特性，适合于硬件实现。高级加密标准（AES）由美国国家标准与技术研究所（NIST）发布，并在2000年10月正式成为美国官方加密标准，其取代了原有的DES算法。AES算法作为Rijndael加密算法的一种形式，是以比利时密码学家Joan Daemen和Vincent Rijmen命名的，它具有可变的分组长度和密钥长度，可以为128bit、192bit、256bit，而本文主要关注的是128bit的情况。
在AES算法中，明文或密文被分成了16字节的块，经过10轮迭代加密过程。这些轮次包括字节替代（SubstituteBytes）、行移位（ShiftRows）、列混合（MixColumns）和轮密钥加（AddRoundKeys），除了最后一轮不包含列混合步骤。解密过程与加密过程类似，但执行顺序不同，因此需要单独实现。AES算法的加解密过程如图1所示。
FPGA（现场可编程门阵列）由于其可编程性、高速集成电路技术的进步以及成本效益，已经成为实现加密算法的优选平台。与软件加密方法相比，FPGA实现的硬件加密具有更高的安全性和更快的运算速度。数据吞吐量是衡量加密系统性能的关键指标，其计算公式为（数据长度M/时钟个数N）×时钟频率F。FPGA的优化设计可以通过提高时钟频率或优化算法设计来增加吞吐量。
本文提出的AES算法IP核硬件设计方法，采用了流水线技术和优化设计，以较低的时钟频率实现高效的加密性能。FPGA芯片选择了Altera公司的Cyclone器件，该系列FPGA具有2910至20060个逻辑单元和丰富的存储资源，适用于承载加密算法的逻辑运算和存储需求。开发工具为Quartus II 4.2，编程语言采用Verilog HDL。
密钥扩展单元的优化设计在硬件实现中尤为关键。由于密钥扩展过程需要在加密和解密过程中不断进行，因此本文提出将所有子密钥预先计算并保存于RAM中，在需要时从RAM中读取。这样可以避免在加密或解密时进行密钥扩展的运算，从而提高效率。同时，在进行轮密钥加（AddRoundKeys）步骤时，为避免因从RAM读取密钥带来的延迟，可以把初始密钥和解密使用的最后一组密钥同时存储在寄存器中，直接用于第一轮迭代。
在轮函数的优化设计方面，减少轮函数的运算延时是提升算法时钟频率的关键。通过对轮函数的优化设计，可以显著提高整个加密系统的性能。由于FPGA具有可编程特性，因此轮函数的优化可以针对硬件平台进行定制化调整，以达到最佳的性能效果。
流水线技术是提升硬件加密性能的另一重要技术。通过将加密过程分解为若干个子步骤，并在硬件上设置不同的处理阶段，可以在不同的时钟周期并行处理多个操作，这样能够在不提高时钟频率的前提下，大幅增加数据吞吐量。在AES算法中，流水线技术可以应用于加密和解密的每个轮次，从而优化整个加密过程。
通过流水线技术和优化设计，本文提出的AES算法IP核可以在较低的时钟频率下实现更大的数据吞吐量和更快的传输速度。这种设计不仅保证了加密系统的稳定性，同时降低了系统功耗，增加了系统的可靠性。这对于提升整体加密性能和加快数据处理速度来说至关重要，尤其是在数据密集型和对速度要求较高的应用场合。
本文提出的基于FPGA的AES算法快速硬件设计与实现方法，不仅提高了数据加密的速度和吞吐量，同时保证了数据的安全性和系统的稳定性。这种技术在需要高性能加密解决方案的领域，如金融、云计算、物联网等，具有广泛的应用前景。
