STM32 软件实现 AES 加解密：原理、实现与优化

1. 为什么选择软件实现 AES？#

AES（Advanced Encryption Standard，高级加密标准）是目前应用最广泛的对称加密算法。虽然许多中高端 STM32 芯片（如 STM32F4/L4 系列的某些型号）带有硬件 CRYP 加速器，但在以下场景软件实现更具优势：

芯片兼容性：适用于不带硬件加密模块的低成本型号（如 STM32F1/F0 系列）。
代码可移植性：方便在不同架构（如 RISC-V 或 AVR）之间复用。
自定义安全性：便于实现非标准长度的密钥或魔改特定轮次。

2. AES 加解密核心流程#

AES 处理的基本单位是 128 位（16 字节） 的数据块。根据密钥长度（128/192/256 位），算法会执行 10 到 14 轮不等的处理。

核心操作步骤：#

密钥扩展 (Key Expansion)：将初始密钥扩展为多个轮密钥。
字节替换 (SubBytes)：通过 S-Box（置换盒）实现非线性映射，防止差分攻击。
行移位 (ShiftRows)：将状态矩阵的行进行循环移位。
列混合 (MixColumns)：通过有限域乘法对列进行混淆。
轮密钥加 (AddRoundKey)：将当前状态与对应的轮密钥进行异或。

3. 工程代码实现#

头文件 (`aes.h`)#

定义支持的加密模式和接口。在嵌入式中，推荐使用 CBC 模式，因为它比 ECB 模式安全性更高。

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#ifndef _AES_H
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#define _AES_H
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#include <stdint.h>
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#define AES_KEY_LENGTH 128   // 支持 128, 192, 256 位
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#define AES_MODE_CBC   1     // 密码分组链接模式（推荐）
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// 初始化：密钥扩展
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void aes_init(const uint8_t *pKey);
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// 加密：输入数据长度必须是16字节的整数倍
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void aes_encrypt(const uint8_t *pPlainText, uint8_t *pCipherText, uint32_t nDataLen, const uint8_t *pIV);
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// 解密
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void aes_decrypt(const uint8_t *pCipherText, uint8_t *pPlainText, uint32_t nDataLen, const uint8_t *pIV);
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#endif

核心源文件 (`aes.c`)#

为了保证执行效率，S-Box 通常以查找表的形式存在。

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#include "aes.h"
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#include <string.h>
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4
// 常量定义
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#define Nb  4  // 状态矩阵的列数
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#if AES_KEY_LENGTH == 128
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    #define Nk  4
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    #define Nr  10
9
#elif AES_KEY_LENGTH == 192
10
    #define Nk  6
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    #define Nr  12
12
#else
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    #define Nk  8
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    #define Nr  14
15
#endif
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// 静态查找表：S-Box (节省空间建议将其放入 Flash)
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static const uint8_t sBox[256] = { /* ... 0x63, 0x7c, 0x77 ... */ };
19
static const uint8_t invSBox[256] = { /* ... 0x52, 0x09, 0x6a ... */ };
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// 存储扩展后的轮密钥
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static uint8_t g_roundKeyTable[4 * Nb * (Nr + 1)];
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// 核心函数：密钥扩展
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void aes_init(const uint8_t *pKey) {
26
    // 实现详见 AES 标准算法库，将初始密钥映射至 g_roundKeyTable
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}
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// 分组加密逻辑 (CBC 模式)
30
void aes_encrypt(const uint8_t *pPlainText, uint8_t *pCipherText, uint32_t nDataLen, const uint8_t *pIV) {
31
    uint8_t tempIV[16];
32
    memcpy(tempIV, pIV, 16);
33

34
    for (uint32_t i = 0; i < nDataLen; i += 16) {
35
        // CBC 模式：加密前先与前一组密文（或IV）异或
36
        for (int j = 0; j < 16; j++) {
37
            pCipherText[i + j] = pPlainText[i + j] ^ tempIV[j];
38
        }
39

40
        // 调用单个 Block 的加密函数
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        block_encrypt(&pCipherText[i]);
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43
        // 更新 IV 为当前密文
44
        memcpy(tempIV, &pCipherText[i], 16);
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    }
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}

4. 针对 STM32 的性能优化建议#

在嵌入式开发中，资源非常宝贵。以下是几个实用的优化方向：

Flash vs RAM： S-Box 和 Rcon 等常量数组应使用 const 关键字修饰，确保它们存储在 Flash 空间而非消耗昂贵的 RAM。
T-Table 优化：如果 Flash 空间充裕，可以使用预计算的 T-Table（将 SubBytes、ShiftRows、MixColumns 合并为 4 个查找表），这能将加密速度提升 3-5 倍。
字对齐访问： STM32 是 32 位架构。在异或（XOR）操作时，将 uint8_t 指针转换为 uint32_t 指针进行批量异或，可以显著减少指令周期。
循环展开 (Loop Unrolling)：对于 Nr 轮的循环，适当展开内层循环可以减少跳转指令的开销，这在 F0/F1 等低频芯片上效果明显。

5. 快速上手示例#

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int main(void) {
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    // 准备 16 字节对齐的数据
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    uint8_t key[16] = "stm32_aes_key_v1";
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    uint8_t iv[16]  = {0x00, 0x01, 0x02, 0x03, 0x04, 0x05, 0x06, 0x07, 0x08, 0x09, 0x0A, 0x0B, 0x0C, 0x0D, 0x0E, 0x0F};
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    uint8_t data[16] = "Hello STM32 AES";
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    uint8_t cipher[16];
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    uint8_t plain[16];
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    // 初始化算法
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    aes_init(key);
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    // 执行加密
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    aes_encrypt(data, cipher, 16, iv);
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    // 执行解密
16
    aes_decrypt(cipher, plain, 16, iv);
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18
    // 通过串口打印输出对比结果...
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    while(1);
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}

6. 结论#

软件实现 AES 虽然在吞吐量上不如硬件加速器，但其极高的灵活性使其成为嵌入式开发者的必备“工具箱”成员。通过合理的查找表和字对齐优化，在 STM32F103 (72MHz) 上加解密一张小型的传感器数据帧仅需几百微秒，完全满足大部分物联网（IoT）安全通信的需求。