AES 加密通信与编码解码 FPGA 设计 VHDL Vivado

名称：AES 加密通信与编码解码 FPGA 设计 VHDL Vivado

软件：Vivado

语言：VHDL

功能介绍

本设计为 AES 加密通信相关 FPGA 工程，采用 VHDL 作为主要设计语言，开发环境为 Vivado。工程以 top 作为顶层模块，输入端提供 128 位 data_in 数据、valid_in 有效标志以及时钟复位信号，输出端给出 128 位 data_out 数据和 valid_out 有效标志，适合用于学习 AES 数据处理流程、宽位数据接口控制以及通信编码链路的 FPGA 实现方法。 设计内容不仅包含 AES 相关核心模块，还结合了串并转换、并串转换、AMI 编码解码、HDB3 编码解码等数字通信处理模块。整体结构更偏向于完整的数据处理链路示例，可用于观察明文/数据块进入 FPGA 后，经内部处理模块转换并输出结果的过程。 工程提供 Vivado 项目文件和测试平台，便于直接打开工程进行综合、编译和行为仿真。对于需要参考 VHDL 编写 AES S盒、密钥扩展、轮密钥加、行移位以及编码解码逻辑的用户，本设计具有较好的学习和二次开发价值。

运行环境

开发软件：Vivado 设计语言：VHDL 顶层模块：top 工程文件：top.xpr 主要源码目录：VHDL 仿真测试：包含 tb_top 测试文件与 Vivado 仿真相关文件

设计思路

整体设计围绕 128 位数据块处理展开，顶层模块通过 clk、rst_n、data_in、valid_in 等信号接收输入数据，并通过 data_out、valid_out 输出处理结果。valid 信号用于标识数据输入输出的有效周期，使模块在仿真和后续系统集成时具备清晰的数据握手机制。 AES 部分由 aes_top、aes_sbox、memory_S、memory_S_inv、key_extend、key_memory、addroundkey、invshiftrow、mixcolum 等模块组成。设计将 AES 算法中的关键功能拆分为多个子模块，便于分别理解 S 盒查表、密钥扩展、轮密钥运算、行移位和列混合等处理步骤，也便于在 Vivado 中进行层次化综合与调试。 通信编码部分包含 AMI 与 HDB3 的编码解码模块，同时配置 serial_to_parallel 和 parallel_to_serial 模块完成串并数据格式转换。这种结构适合将加密数据处理与线路编码逻辑结合起来学习，能够展示 FPGA 在数字通信链路中对数据编码、格式转换和加密处理的综合实现方式。 顶层参数 ENCODING_MODE 可作为编码模式选择相关的设计入口，便于根据工程逻辑切换不同处理路径。模块化划分清晰，适合在原工程基础上替换输入输出接口、扩展控制状态机或接入其他上层通信系统。

模块结构

顶层模块：top，负责时钟复位、128 位输入输出数据接口、有效信号控制以及子模块组织。 AES 相关模块：aes_top、aes_sbox、memory_S、memory_S_inv、key_extend、key_memory、sbox_word、addroundkey、invshiftrow、mixcolum。 通信编码模块：ami_encoder、ami_decoder、hdb3_encoder、hdb3_decoder。 数据格式转换模块：serial_to_parallel、parallel_to_serial。 测试模块：tb_top，用于 Vivado 行为仿真验证。

演示视频

包含演示视频，可用于查看工程运行和仿真展示效果。

仿真图/仿真说明/设计文档图片

包含设计文档内容，文档中整理了工程文件、程序文件、程序编译和仿真图等说明。工程同时包含 Vivado 仿真配置与仿真结果文件，可作为打开工程、运行仿真和查看波形的参考。

部分代码

以下展示顶层模块 top 的部分代码，完整源码请下载压缩包查看。

ENTITY top IS
   GENERIC (
      ENCODING_MODE  : INTEGER := 0
   );
   PORT (
      clk            : IN STD_LOGIC;
      rst_n          : IN STD_LOGIC;
      data_in        : IN STD_LOGIC_VECTOR(127 DOWNTO 0);
      valid_in       : IN STD_LOGIC;
      data_out       : OUT STD_LOGIC_VECTOR(127 DOWNTO 0);
      valid_out      : OUT STD_LOGIC
   );
END top;

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