Принципова схема шифраторів

Призначення шифраторів, застосування, принципова схема

План лекції:

1.Визначення та класифікація шифраторів

2.Структура шифраторів

3.Принципова схема шифраторів

4.Застосування шифраторів

 

Визначення та класифікація шифраторів

Одними з дуже важливих елементів цифрової техніки, а особливо в комп'ютерах і системах управління є шифратори і дешифратори.

Назва "шифратор" пов'язане з тим, що перші коди (шифри) з'явилися ще в глибоку давнину і використовувалися для засекречування важливих повідомлень від тих, кому вони не були призначені.

Шифратор (званий також кодером) - пристрій, що здійснює перетворення десяткових чисел в двійкову систему числення.

Ось так шифратор може позначатися на принциповій схемі (рис.1.).

Рис.1.

 

Апаратний шифратор з вигляду і по суті являє собою звичайне комп'ютерне «залізо», найчастіше це плата розширення, що вставляється в роз'єм ISA або PCI системної плати ПК. Бувають і інші варіанти, наприклад, у вигляді USB-ключа з криптографічними функціями, але ми тут розглянемо класичний варіант - шифратор для шини PCI.

 

Структура шифраторів

Рис.2.

Блок управління - основний модуль шифратора, який " завідує " роботою всіх інших. Зазвичай реалізується на базі мікроконтролера. Головне - швидкодія і достатня кількість внутрішніх ресурсів, а також зовнішніх портів для підключення всіх необхідних модулів.

Контролер системної шини ПК (наприклад, PCI). Через нього здійснюється основний обмін даними між УКЗД (устройством криптографической защиты данных)і комп'ютером.

Енергонезалежний запам'ятовуючий пристрій (ЗУ) - зазвичай на базі мікросхем флеш -пам'яті. Воно повинно бути досить ємним (кілька мегабайт) і допускати велике число циклів запису. Тут розміщується програмне забезпечення мікроконтролера, яке виконується при ініціалізації пристрою (тобто коли шифратор перехоплює управління при завантаженні комп'ютера).

Пам'ять журналу. Також представляє собою енергонезалежний ЗУ; це дійсно ще одна флеш-мікросхема: щоб уникнути можливих колізій пам'ять для програм і для журналу не повинні об'єднуватися.

Шіфропроцессор (або декілька) - це спеціалізована мікросхема або мікросхема програмованої логіки PLD - Programmable Logic Device.

Генератор випадкових чисел. Зазвичай являє собою якийсь пристрій, що дає статистично випадковий і непередбачуваний сигнал - білий шум. Це може бути, наприклад, шумовий діод. А перед використанням за спеціальними правилами білий шум перетворюється в цифрову форму.

Блок введення ключової інформації. Забезпечує захищений прийом ключів з ключового носія, через нього також вводиться ідентифікаційна інформація про користувача, необхідна для вирішення питання "свій / чужий".

Блок комутаторів. Крім перерахованих вище основних функцій, УКЗД може: за велінням адміністратора безпеки відключати можливість роботи із зовнішніми пристроями: дисководами, CD- ROM, паралельним і послідовним портами, шиною USB або іншими пристроями. Якщо користувач працює з настільки важливою інформацією, що її не можна ні друкувати, ні копіювати, УКЗД при вході на комп'ютер заблокує всі зовнішні пристрої, включаючи навіть мережеву карту.

 

Принципова схема шифраторів

На логічних елементах DD1.1 і DD1.2 зібраний тактовий генератор. Його частота залежить від опору резистора R1 і ємності конденсатора С1. Вузол DD2.1, DD2.2 - восьмирозрядний зсувний регістр. Транзистор - VT1 електронний ключ.

Розглянемо процес формування груп імпульсів на прикладі команди «Стоп». При подачі напруги живлення на шифратор тактовий генератор виробляє послідовність прямокутних імпульсів з частотою 200 Гц і шпаруватістю, рівний двом (рис. а). Ці імпульси одночасно надходять на лічильний вхід регістрів DD2.1 і DD2.2 і на верхній за схемою вхід елемента DD1.3. Якщо командні кнопки SB1 - SB4 знаходяться в положенні, показаному на схемі, то на нижньому вході цього елемента будуть з'являтися імпульси тривалістю 30 мс (рис., б). На виході інвертора DD1.4 будуть сформовані групи імпульсів, розділені паузою (рис., в). На час дії імпульсу транзистор VT) відкривається, і напруга від джерела живлення GB1 надходить на модулятор передавача.

При виключенні живлення перемикачем SA1 конденсатор С2 через резистор R2 швидко розряджається. Якщо його не розряджати, то при виключенні живлення напруга на ньому стане спадати повільно і антена передавача деякий час буде випромінювати в простір не командні групи, а послідовність імпульсів тактового генератора. Робота дешифратора буде порушена.

 

Застосування шифраторів

Шифратори широко використовуються в різноманітних пристроях введення інформації в цифрові системи. Такі пристрої можуть забезпечуватися клавіатурою, кожна клавіша якої пов'язана з певним входом шифратора. При натисканні цієї клавіші подається сигнал на певний вхід шифратора, і на його виході виникає двійкове число, відповідне вигравіювати на клавіші символу.

Рис.3.

На рис. 3 приведено символічне зображення шифратора, що перетворює десяткові числа 0, 1, 2,..., 9 в двійкову. Символ CD утворений з букв, що входять в англійське слово CODER. Зліва показано 10 входів, позначених десятковими цифрами 0, 1,..., 9. Справа показані виходи шифратора: цифрами 1, 2, 4, 8 позначені вагові коефіцієнти двійкових розрядів, відповідних окремим виходів.

З наведеної таблиці істинності (табл. 1) випливає, що змінна х1 на вихідний шині 1 має рівень лог. 1, якщо порушується один з непарних входів. отже:

X1 = y1 + y3 + y5 + y7 + y9.

Аналогічно для інших виходів:

x2 = y2 + y3 + y6 + y7,

x4 = y4 + y5 + y6 + y7,

x8 = y8 + y9

Таблица 1

 

 

Пристрій для кодування числової інформації. (більш детальніше)

 

Для введення числової інформації в комп'ютер може бути використана звичайна клавіатура, яка містить десяткові цифри. Як відомо, підставою системи числення є число знаків або символів, що використовуються для зображення цифр в даній системі числення. Для десяткової системи числення число таких символів десять, це - 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9. У двійковій системі числення таких знаків два - 0 і 1. Отже, кодує пристрій (шифратор) повинно перетворити вхідну інформацію у вигляді десяткового числа в двійкове число, тобто кожній цифрі десятковій системі числення поставити у відповідність певний код двійкового числа. Для представлення цифри 9 в двійковій системі числення необхідно чотирирозрядний двійкове число. Складемо таблицю істинності (табл..1.).

У таблиці 1 записані десяткові числа і їм поставлені у відповідність двійкові. Проаналізувавши таблицю, можна зробити наступні висновки, необхідні для побудови кодує пристрої. Вхідний пристрій повинно містити десять клавіш, від 0 до 9. На виході пристрою буде чотирирозрядний двійковий код. Причому, на виході першого розряду інформація (логічна 1) буде, у разі якщо натиснуті клавіші 1,3,5,7,9. На виході другого розряду 1 буде у випадку, коли натиснуті клавіші 2,3,6,7. На виході третього розряду 1 буде у випадку, коли натиснуті клавіші 4,5,6,7. На виході четвертого - коли натиснуті клавіші 8 або 9. Для побудови пристрою нам необхідні логічні елементи АБО, які об'єднають інформацію з клавіш і видадуть її на відповідний розряд.

Схема такого пристрою зображена на малюнку 4.

Рис.4.

 

 

Розглянемо на прикладі звичайного калькулятора застосування шифраторів.

Оскільки всі дії в калькуляторі виконуються з двійковими числами, то після клавіатури варто шифратор, який перетворює вводяться числа в двійкову форму.

Всі кнопки калькулятора з'єднуються із загальним проводом і, натиснувши, наприклад, кнопку 5 на вході шифратора, ми відразу одержимо двійкову форму даного числа на його виході.

Звичайно ж, шифратор калькулятора має більше число входів, тому що крім цифр в нього потрібно ввести ще якісь символи арифметичних дій, тому з виходів шифратора знімаються не тільки числа в двійковій формі, але і команди.

Якщо розглянути внутрішню структуру шифратора, то нескладно переконатися, що він виконаний на найпростіших базових логічних елементах.

У всіх пристроях управління, які працюють на двійковій логіці, але для зручності оператора мають десяткову клавіатуру, використовуються шифратори

 

Питання до лекції:

 

1. Що таке шифратор?

2. Класифікація шифраторів.

3. Які елементи входять до структури шифраторів?

4. Який принцип переведення десяткових чисел у двійковий код?

5. Де застосовуються шифратори?