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?