《电子技术应用》
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基于MCU的低功耗型SM4硬件设计与实现
电子技术应用
吉兵,屈凌翔
中国电子科技集团公司五十八研究所
摘要: 随着国产新能源汽车的高速发展,搭载国产加密算法的主控MCU的需求日益增长。为了满足这一需求,设计了一款MCU通用的SM4算法硬件安全模块,该模块以国密SM4算法为引擎核心,支持主流ECB、CBC、CFB、OFB、CTR等模式,采用标准AHB总线接口,支持DMA传输,采用低功耗设计技术,可满足当前主流MCU电路设计需要;该模块基于商用40 nm CMOS工艺线完成电路设计和制造,经过流片后的测试和验证, SM4算法模块各功能正确,模块工作频率可达400 MHz,具有较高的商业价值。
关键词: 40nm SM4 AHB 低功耗
中图分类号:TN402 文献标志码:A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.257239
中文引用格式: 吉兵,屈凌翔. 基于MCU的低功耗型SM4硬件设计与实现[J]. 电子技术应用,2026,52(5):24-28.
英文引用格式: Ji Bing,Qu Lingxiang. Design and implementation of low power SM4 hardware based on MCU[J]. Application of Electronic Technique,2026,52(5):24-28.
Design and implementation of low power SM4 hardware based on MCU
Ji Bing,Qu Lingxiang
No.58 Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation
Abstract: With the rapid development of domestic new energy vehicles, the demand for master MCUs equipped with domestic encryption algorithms has been growing steadily. To meet this demand, this paper designs a universal hardware security module for MCUs based on the SM4 cryptographic algorithm. The module employs the SM4 algorithm as its core engine and supports mainstream modes such as ECB, CBC, CFB, OFB, and CTR. It adopts a standard AHB bus interface, supports DMA transmission, and incorporates low-power design techniques, making it suitable for current mainstream MCU circuit designs. The module was designed and manufactured based on a commercial 40 nm CMOS process. Post-tape-out testing and verification confirm that the SM4 algorithm module functions correctly, operates at a frequency of up to 400 MHz, and holds significant commercial value。
Key words : 40 nm;SM4;AHB;low-power consumption

引言

随着新能源汽车的高速发展[1],“中央集中式电子电气架构”(Centralized EE Architecture)是当今汽车电子电气架构发展的核心路径,旨在解决传统分布式架构在智能化、网联化时代面临的重大挑战,网联化是实现未来中央集中式EE架构的基础,万物互联给用户带来便利的同时,也同时会给传统汽车带来安全隐患。在中央集中式EE架构以以太网作为骨干网络,中央处理单元和区域控制器通过以太网进行通信,区域控制器则通过CAN/LIN总线和子ECU、传感器以及执行器通信。在这个网络中,任何一个ECU、传感器或执行器都可以用OTA进行升级,在这个过程中,如果升级的固件在传输的过程中被黑客非法篡改,那么将会带来严重的后果[2]。这个就要求区域控制器可以支持加密传输、签名、验签、安全启动等功能。

MCU作为区域控制器的大脑,需要具备加解密数据的能力,为了确保加密算法的可控以确保数据的安全性,本文设计了一种基于MCU的硬件加密算法模块,本文采用的加密算法[3]核心是国家密码局发布的算法标准SM4,该标准为GM/T0002-2012。

同时高功率及高算力芯片使用率的提升,整车负载的用电需求量也在不断提高,低功耗设计仍然是MCU设计中重要的考虑之一,目前SM4算法的硬件研究与设计主要依靠FPGA的研究方式实现[4-6],侧重于算法本身的高性能实现,但硬件资源开销较大,商用价值有限。因此本文旨在设计一款兼顾性能、面积和功耗的SM4模块,用较小的资源消耗较大幅度地提高原有算法的性能,同时降低应用开发的复杂性,具有显著的商用价值,有望在汽车电子用MCU领域发挥关键作用[7]。


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作者信息:

吉兵,屈凌翔

(中国电子科技集团公司五十八研究所,江苏 无锡 214072)

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