Rekonfigurowanie funkcji odwracalnych modelowanych w układzie FPGA

Układy FPGA dobrze nadają się do modelowania układów odwracalnych, których implementacje sprzętowe są dopiero w stadium opracowywania. Układy odwracalne umożliwiają prostą realizację szyfratorów i deszyfratorów. W artykule rozpatrzono działanie dwóch szesnasto-bramkowych kaskad zbudowanych z cztero-wejściowych bramek odwracalnych NCT, aby uzyskać bajtowo zorientowany szyfrator. Zbiór bramek NCT o co najwyżej czterech wejściach zawiera 32 bramki, więc dla skonfigurowania jednej bramki potrzeba 5 bitów. Zatem kaskada może być określona przez 80-bitowe słowo, co dla dwóch kaskad daje 160-bitowy klucz. Po każdym wejściowym bajcie obie kaskady są rekonfigurowane za pomocą odpowiedniego przesuwania 80-bitowych słów. Sposoby przesuwania są określane przez dodatkowe bity klucza pomocniczego.

---

FPGAs can be applied to modeling of reversible circuits because their practical realization is still under development. This technique enables implementing substitution ciphers. We try to build a byte-oriented stream cipher. Such a cipher uses two four-input and four-output cascades. Each of the cascades contains 16 reversible NCT gates. Because there exist 32 different NCT gates having at most four inputs we use 80 bits (16×5 bits) to determine one cascade so for two cascades 160 bits are needed. These bits are called the base key and are stored in the memory of a cipher. At the beginning of encryption the key is loaded to a circular shift register. After each input byte (a clock period) the contents of the shift register is shifted by a specified number of bits. The number of bits by which the register contents is shifted constitutes the second part of the cipher key. The shifting process causes changes in cascades after each input byte. If shifting the key is the same during both encryption and decryption, then the cipher will work correctly. In the paper, we present some methods of key shifting. If the register contents is shifted by 5 bits, then each gate is replaced by its predecessor (the first gate is replaced by the last one). The results of different shifting modes are presented showing that in all cases correct encryption/decryption is performed. For modeling and simulation of synthesis we used test-bench software ActiveHDL v 8.2 from ALDEC.