SM3_core

国密 SM3 杂凑算法的硬件 IP，RTL 采用 Verilog 开发，测试平台使用 SystemVerilog 语言。

算法与标准

SM3 是中国的杂凑密码算法国家标准，SM3 算法与 SHA、MD5 等算法同属于杂凑算法，又称哈希算法，散列算法等。

SM3杂凑算法是我国自主开发的密码算法，并于2016年上升为国家标准。

SM3算法采用Merkle-Damgård结构，消息分组长度512比特，摘要结果长度256比特。SM3 算法包括消息填充分组，消息扩展以及消息压缩三个步骤。

整体结构与 SHA-256 算法结构接近，但增加了多种新设计技术以提高安全性。

SM3标准文本

功能

• 输入任意长度的消息
• 运算完成消息的杂凑值输出

特性

• 输入消息长度按字节对齐；消息长度支持标准规定的最长消息长度：(2^64-1) 比特
• 输入与内部运算位宽可为 32/64 比特
  • 64 比特版本中，迭代压缩采用二度展开算法
• 单个消息块运算时钟周期为 65 (32 bit) / 33 (64 bit)
• 最大吞吐
  • FPGA :
    • 1875.5Mbps(32 bit)
    • 1963.7Mbps(64 bit)
  • ASIC:
    • //TODO

接口

目前采用简单接口设计，将在未来版本支持 AXI 等总线接口。

输入

• 时钟与异步复位
• 消息数据
• 消息数据有效
• 消息数据末尾（表示当前数据为消息的最后一块）
• 消息数据字节有效

输出

• 消息输入就绪
• 杂凑结果
• 杂凑结果输出有效

信号	方向	位宽	描述
clk ,rst_n	I	1	时钟与异步复位
msg_inpt_d	I	32/64	消息数据
msg_inpt_vld	I	1	消息数据有效
msg_inpt_lst	I	1	消息数据末尾（表示当前数据为消息的最后一块）
msg_inpt_vld_byte	I	4/8	消息数据字节有效（一般在非对齐的消息末尾标识有效字节）
msg_inpt_rdy	O	1	消息输入就绪
cmprss_otpt_res	O	256	杂凑结果输出
cmprss_otpt_vld	O	1	杂凑结果输出有效

波形示例

下图是一个例子，输入数据共 9 个字节，分为 3 个周期输入，其中前两个周期为完整的 32 bit 字，第三个周期输入字不对称，仅高字节有效，因此 msg_inpt_vld_byte 信号为 4'b1000。

实现与测试

SM3_core 虽然最初为 FPGA 平台设计，但由于其本身不包括任何 FPGA IP 与原语，因此同样适用于 ASIC 平台。

测试

SM3_core 目前提供了一个基于 Modelsim 与 Windows 10 的测试平台，以及相应的运行脚本，其中测试平台：

• 生成长度与内容随机的消息激励
• 将消息激励分别输入 C 语言参考模型（通过 DPI）与逻辑模块顶层
  • C 语言参考模型修改自 GMSSL 项目
• 判断两者输出是否一致

运行测试（How to run）

运行 sim/run/run_sim.bat 脚本启动测试平台，该脚本

• 通过环境变量获取 Modelsim 路径（实际通过 License 的环境变量：LM_LICENSE_FILE 获取的 modelsim 路径）
• 目前已经测试的 Modelsim 版本与环境：10.5 on Win10

运行 trouble shooting：

//TODO 若运行遇到问题，欢迎提出 issue

运行测试（EpicSim）

目前增加了对于开源仿真器 EpicSim 的初步支持，运行一个固定的 SM3 示例，目前暂不支持 DPI 相关功能。

用户可以通过 sim/run_epicsim/epicsim_sm3_core_top_tb.sh 启动测试平台。此外，在 sm3_cfg.v 打开或关闭下列宏开关：

• 打开 SM3_INPT_DW_32，目前仅支持 32 位
• 打开 SM3_CMPRSS_DIRECT_ADD，使用加法符'+'，使工具推断相关电路
• 关闭 C_MODEL_ENABLE，目前暂不支持 DPI 相关功能
• 打开 EPICSIM ，选择仿真器
• 打开 VCD_DUMP_ENABLE， 使能波形 dump

工具在运行完成后产生波形文件，使用 GTKWave 查看

gtkwave ./sm3_example.vcd

目前已经测试的 EpicSim 版本与环境：v1.0.2 on CentOS6

实现

• FPGA：

  Virtex-7 (xc7vx330t) with Vivado 18.3

  默认综合与实现策略

  	32bit	64bit
  频率 MHz	238.1	126.6
  吞吐 Mbps	1875.5	1963.7
  运行周期 ns	273（65clk）	260.8（33clk）
  资源 LUTs/Slices	1224/418	1569/530

• ASIC: //TODO

未来演进

• 在 FPGA/ASIC 平台上对实现的性能进行分析
• 实际支持 64 位总线与内部运算位宽
• 支持更多的仿真工具，如 VCS
• 支持 AXI-stream 总线接口
• 提供更完善的文档支持

更新

版本	更新时间	更新内容
v0.1	2020.7.29	First release
v0.2	2020.8.5	1.增加对 64 比特总线的支持
		2.在 FPGA 平台分析性能与资源
		3.修正 BUG
v0.3	2020.10.3	增加对开源仿真器 EpicSim 的初步支持