混沌因为其具有内在的随机性和初值敏感性被广泛应用于密码设计,由此产生的混沌密码学在数十年间有着快速的发展。但是在信息安全形势严峻的当下,混沌密码学仍然显得发展不足。一方面,大量的混沌密码在设计上有明显漏洞,在混沌系统具有较高的混沌特性的情况下依然容易遭受攻击。另一方面,混沌密码中的高维混沌系统在数字化以后具有较大的运算量,对于一般的计算机处理器而言有些不堪重负,同时加解密速度也无法满足需要。因此,本文针对这两方面问题设计了一个用于个人计算机的混沌加密卡。加密卡采用可以抵御选择密文攻击和分别征服攻击的正弦调制混沌流密码进行加解密,提供了足够的安全性。其次,加密卡与计算机之间以PCIe总线互联,保证了传输的带宽。以下是本文的主要工作内容:1.设计了一个三维无简并离散混沌动力系统,混沌系统由渐进稳定系统反控制得到。在此基础上设计正弦调制自同步混沌流密码,密码取混沌系统的单一状态变量执行正弦、乘数、取整一系列运算后,利用其低8位异或明文流掩盖明文信息。其中,正弦函数作为密码的非线性步骤,有效提升了密码的安全性。密文在生成后需要反馈回混沌系统,一方面是构成闭环加密,提高密码的相关性,另一方面是作为驱动——响应的共同项来实现自同步。2.对正弦调制自同步流密码硬件定点化,以64位Q32.32定点数表示混沌系统的状态变量。讨论了正弦函数的硬件化方法,以及选用CORDIC硬件算法实现时级数对密码的影响。3.设计了混沌加密卡的整体框架和运行过程,分为软件端和硬件端。硬件端采用AXI总线和DMA控制器实现片内数据流的传输。加解密模块含有AXIS数据接口和AXI-Lite配置接口,可以通过后者实时修改加解密模式。各个模块在设计上均采取控制单元+数据通路单元的形式。对于加密卡的软件端,主要借助驱动函数实现设备的初始化、配置读写和数据读写。MFC则用于实现窗口式的交互界面。4.对各模块进行行为仿真,检验设计的功能正确性。在实际的环境中测试混沌加密卡,使用图片、视频等文件对加密卡的功能进行测试,均获得良好的加解密效果。