第21课：掩码技术

🔧 实践环境搭建

推荐使用以下工具链进行课程实践：

# 安装 Verilator
sudo apt install verilator

# 安装 Icarus Verilog（可选）
sudo apt install iverilog

# 安装 GTKWave（波形查看器）
sudo apt install gtkwave

# 验证安装
verilator --lint-only --version
iverilog -V

📊 性能指标对比

密码学硬件实现的关键性能指标：

• 面积：等效门数（GE）或查找表（LUT）数量
• 频率：最大时钟频率（MHz）
• 吞吐量：每秒处理的数据量（Mbps/Gbps）
• 延迟：从输入到输出的时钟周期数
• 能效：每比特功耗（pJ/bit）

这些指标之间通常存在 trade-off，设计时需根据应用场景权衡。

📚 本课知识图谱

本课涉及的核心概念和技术关系：

• 前驱知识：Verilog HDL 基础、数字电路设计、有限域运算
• 核心概念：硬件描述语言实现密码算法、组合逻辑与时序逻辑的选择、面积与速度的 trade-off
• 后续应用：完整密码引擎集成、侧信道防护、安全 SoC 设计

🔧 Verilator 编译仿真完整流程

# 1. 语法检查
verilator --lint-only module.v

# 2. 创建 C++ 测试主函数
cat > sim_main.cpp << 'EOF'
#include "Vmodule.h"
#include "verilated.h"
int main(int argc, char** argv) {
    Verilated::commandArgs(argc, argv);
    Vmodule* top = new Vmodule;
    top->clk = 0; top->rst_n = 0;
    top->eval();
    top->rst_n = 1;
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        top->clk = !top->clk;
        top->eval();
    }
    delete top;
    return 0;
}
EOF

# 3. 编译
verilator -cc module.v --exe sim_main.cpp
make -C obj_dir -f Vmodule.mk

# 4. 运行
./obj_dir/Vmodule

📖 推荐阅读

• 《The Design of Rijndael》— Joan Daemen, Vincent Rijmen（AES 设计者亲著）
• 《Cryptographic Engineering》— Çetin Kaya Koç（密码硬件实现必读）
• 《Hardware Security and Trust》— Swaroop Ghosh 等编（侧信道与安全设计）
• NIST FIPS 系列标准文档（AES, SHA, HMAC 等官方规范）
• IEEE P1735 标准（IP 核加密保护）

⚖️ 性能评估框架

密码硬件的性能评估维度：

不同应用场景对指标优先级不同：IoT 偏重面积和能效，服务器偏重吞吐量。

📚 本课知识图谱

本课涉及的核心概念和技术关系：

• 前驱知识：Verilog HDL 基础、数字电路设计、有限域运算
• 核心概念：硬件描述语言实现密码算法、组合逻辑与时序逻辑的选择、面积与速度的 trade-off
• 后续应用：完整密码引擎集成、侧信道防护、安全 SoC 设计

🔧 Verilator 编译仿真完整流程

# 1. 语法检查
verilator --lint-only module.v

# 2. 创建 C++ 测试主函数
cat > sim_main.cpp << 'EOF'
#include "Vmodule.h"
#include "verilated.h"
int main(int argc, char** argv) {
    Verilated::commandArgs(argc, argv);
    Vmodule* top = new Vmodule;
    top->clk = 0; top->rst_n = 0;
    top->eval();
    top->rst_n = 1;
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        top->clk = !top->clk;
        top->eval();
    }
    delete top;
    return 0;
}
EOF

# 3. 编译
verilator -cc module.v --exe sim_main.cpp
make -C obj_dir -f Vmodule.mk

# 4. 运行
./obj_dir/Vmodule

📖 推荐阅读

• 《The Design of Rijndael》— Joan Daemen, Vincent Rijmen（AES 设计者亲著）
• 《Cryptographic Engineering》— Çetin Kaya Koç（密码硬件实现必读）
• 《Hardware Security and Trust》— Swaroop Ghosh 等编（侧信道与安全设计）
• NIST FIPS 系列标准文档（AES, SHA, HMAC 等官方规范）
• IEEE P1735 标准（IP 核加密保护）

⚖️ 性能评估框架

密码硬件的性能评估维度：

不同应用场景对指标优先级不同：IoT 偏重面积和能效，服务器偏重吞吐量。