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 AES Encryption/Decryption Macro (ASIC version)
                                   
 File name   : AES_PPRM1.v
 Version     : Version 1.0
 Created     : 
 Last update : SEP/25/2007
 Desgined by : Akashi Satoh
 
 
 Copyright (C) 2007 AIST and Tohoku Univ.
 
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//`timescale 1ns / 1ps

module AES_PPRM1(Kin, Din, Dout, Krdy, Drdy, RSTn, EN, CLK, BSY, Kvld, Dvld);
  input  [127:0] Kin;  // Key input
  input  [127:0] Din;  // Data input
  output [127:0] Dout; // Data output
  input  Krdy;         // Key input ready
  input  Drdy;         // Data input ready
//  input  EncDec;       // 0:Encryption 1:Decryption
  input  RSTn;         // Reset (Low active)
  input  EN;           // AES circuit enable
  input  CLK;          // System clock
  output BSY;          // Busy signal
  output Kvld;         // Data output valid
  output Dvld;         // Data output valid

  wire EN_E, EN_D;
  wire [127:0] Dout_E, Dout_D;
  wire BSY_E, BSY_D;
  wire Dvld_E, Dvld_D;
  wire Kvld_E, Kvld_D;

  wire Dvld_tmp, Kvld_tmp;
  reg  Dvld_reg, Kvld_reg;

  parameter EncDec = 1'b0; // Only encryption is supported

  assign EN_E = (~EncDec) & EN;
  assign EN_D =  EncDec & EN;
//  assign BSY  = BSY_E | BSY_D;
  assign BSY  = BSY_E;

  assign Dvld_tmp = Dvld_E & (~EncDec) | Dvld_D & EncDec;
  assign Kvld_tmp = Kvld_E & (~EncDec) | Kvld_D & EncDec;

  assign Dvld = ( (Dvld_reg == 1'b0) && (Dvld_tmp == 1'b1) ) ? 1'b1: 1'b0;
  assign Kvld = ( (Kvld_reg == 1'b0) && (Kvld_tmp == 1'b1) ) ? 1'b1: 1'b0;  

  assign Dout = (EncDec == 0)? Dout_E: Dout_D;

  AES_PPRM1_ENC AES_PPRM1_ENC(Kin, Din, Dout_E, Krdy, Drdy, RSTn, EN_E, CLK, BSY_E, Kvld_E, Dvld_E);
  //AES_DEC AES_DEC(Kin, Din, Dout_D, Krdy, Drdy, RSTn, EN_D, CLK, BSY_D, Kvld_D, Dvld_D);

  // Behavior for Dvld_reg and Kvld_reg.
  always @(posedge CLK) begin
    if (RSTn == 0) begin
      Dvld_reg <= 1'b0;
      Kvld_reg <= 1'b0;
    end
    else if (EN == 1) begin
      Dvld_reg <= Dvld_tmp;
      Kvld_reg <= Kvld_tmp;
    end
  end
endmodule

////////////////////////////////////////
// Sbox Algebraic Normal Form (=PPRM) //
////////////////////////////////////////

module AES_PPRM1_SboxANF(x, y);
  input  [7:0] x;
  output [7:0] y;

assign  y[0] =
         x[0]&x[2]&x[3]&x[4]&x[5]&x[6]&x[7]
       ^ x[0]&x[1]&x[2]&x[4]&x[5]&x[6]&x[7]
       ^ x[0]&x[1]&x[2]&x[3]&x[4]&x[6]&x[7]
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       ^ x[4]
       ^ x[3]
       ^ x[2]
       ^ x[0]
       ^ 1'b1;

assign  y[1] =
         x[0]&x[1]&x[3]&x[4]&x[5]&x[6]&x[7]
       ^ x[0]&x[1]&x[2]&x[4]&x[5]&x[6]&x[7]
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       ^ x[0]
       ^ 1'b1;

assign  y[2] =
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       ^ x[0]&x[2]&x[7]
       ^ x[4]&x[5]&x[6]
       ^ x[2]&x[5]&x[6]
       ^ x[0]&x[5]&x[6]
       ^ x[2]&x[4]&x[6]
       ^ x[1]&x[3]&x[6]
       ^ x[0]&x[3]&x[6]
       ^ x[1]&x[2]&x[6]
       ^ x[0]&x[1]&x[6]
       ^ x[3]&x[4]&x[5]
       ^ x[0]&x[4]&x[5]
       ^ x[2]&x[3]&x[5]
       ^ x[1]&x[3]&x[5]
       ^ x[0]&x[3]&x[5]
       ^ x[0]&x[2]&x[5]
       ^ x[0]&x[1]&x[5]
       ^ x[0]&x[1]&x[4]
       ^ x[1]&x[2]&x[3]
       ^ x[0]&x[2]&x[3]
       ^ x[5]&x[7]
       ^ x[1]&x[7]
       ^ x[0]&x[7]
       ^ x[4]&x[6]
       ^ x[2]&x[6]
       ^ x[0]&x[6]
       ^ x[3]&x[5]
       ^ x[2]&x[4]
       ^ x[1]&x[2]
       ^ x[0]&x[2]
       ^ x[7]
       ^ x[5]
       ^ x[4]
       ^ x[2];
endmodule


/////////////////////////////
//   SubBytes ANF (=PPRM)  //
/////////////////////////////
module AES_PPRM1_SubBytesANF (x, y);
  input  [31:0] x;
  output [31:0] y;

  AES_PPRM1_SboxANF Sbox3(x[31:24], y[31:24]);
  AES_PPRM1_SboxANF Sbox2(x[23:16], y[23:16]);
  AES_PPRM1_SboxANF Sbox1(x[15: 8], y[15: 8]);
  AES_PPRM1_SboxANF Sbox0(x[ 7: 0], y[ 7: 0]);
endmodule


/////////////////////////////
//       MixColumns        //
/////////////////////////////
module AES_PPRM1_MixColumns(x, y);
  input  [31:0]  x;
  output [31:0]  y;

  wire [7:0] a3, a2, a1, a0, b3, b2, b1, b0;

  assign a3 = x[31:24]; assign a2 = x[23:16];
  assign a1 = x[15: 8]; assign a0 = x[ 7: 0];

  assign b3 = a3 ^ a2; assign b2 = a2 ^ a1;
  assign b1 = a1 ^ a0; assign b0 = a0 ^ a3;

  assign y = {a2[7] ^ b1[7] ^ b3[6],         a2[6] ^ b1[6] ^ b3[5],
              a2[5] ^ b1[5] ^ b3[4],         a2[4] ^ b1[4] ^ b3[3] ^ b3[7],
              a2[3] ^ b1[3] ^ b3[2] ^ b3[7], a2[2] ^ b1[2] ^ b3[1],
              a2[1] ^ b1[1] ^ b3[0] ^ b3[7], a2[0] ^ b1[0] ^ b3[7],
              a3[7] ^ b1[7] ^ b2[6],         a3[6] ^ b1[6] ^ b2[5],
              a3[5] ^ b1[5] ^ b2[4],         a3[4] ^ b1[4] ^ b2[3] ^ b2[7],
              a3[3] ^ b1[3] ^ b2[2] ^ b2[7], a3[2] ^ b1[2] ^ b2[1],
              a3[1] ^ b1[1] ^ b2[0] ^ b2[7], a3[0] ^ b1[0] ^ b2[7],
              a0[7] ^ b3[7] ^ b1[6],         a0[6] ^ b3[6] ^ b1[5],
              a0[5] ^ b3[5] ^ b1[4],         a0[4] ^ b3[4] ^ b1[3] ^ b1[7],
              a0[3] ^ b3[3] ^ b1[2] ^ b1[7], a0[2] ^ b3[2] ^ b1[1],
              a0[1] ^ b3[1] ^ b1[0] ^ b1[7], a0[0] ^ b3[0] ^ b1[7],
              a1[7] ^ b3[7] ^ b0[6],         a1[6] ^ b3[6] ^ b0[5],
              a1[5] ^ b3[5] ^ b0[4],         a1[4] ^ b3[4] ^ b0[3] ^ b0[7],
              a1[3] ^ b3[3] ^ b0[2] ^ b0[7], a1[2] ^ b3[2] ^ b0[1],
              a1[1] ^ b3[1] ^ b0[0] ^ b0[7], a1[0] ^ b3[0] ^ b0[7]};
endmodule


/////////////////////////////
//     Encryption Core     //
/////////////////////////////
module AES_PPRM1_EncCore(di, ki, Rrg, do, ko);
  input  [127:0] di, ki;
  input  [9:0]   Rrg;
  output [127:0] do, ko;

  wire   [127:0] sb, sr, mx;
  wire   [31:0]  so;

  AES_PPRM1_SubBytesANF SB3 (di[127:96], sb[127:96]);
  AES_PPRM1_SubBytesANF SB2 (di[ 95:64], sb[ 95:64]);
  AES_PPRM1_SubBytesANF SB1 (di[ 63:32], sb[ 63:32]);
  AES_PPRM1_SubBytesANF SB0 (di[ 31: 0], sb[ 31: 0]);
  AES_PPRM1_SubBytesANF SBK ({ki[23:16], ki[15:8], ki[7:0], ki[31:24]}, so);

  assign sr = {sb[127:120], sb[ 87: 80], sb[ 47: 40], sb[  7:  0],
               sb[ 95: 88], sb[ 55: 48], sb[ 15:  8], sb[103: 96],
               sb[ 63: 56], sb[ 23: 16], sb[111:104], sb[ 71: 64],
               sb[ 31: 24], sb[119:112], sb[ 79: 72], sb[ 39: 32]};

  AES_PPRM1_MixColumns MX3 (sr[127:96], mx[127:96]);
  AES_PPRM1_MixColumns MX2 (sr[ 95:64], mx[ 95:64]);
  AES_PPRM1_MixColumns MX1 (sr[ 63:32], mx[ 63:32]);
  AES_PPRM1_MixColumns MX0 (sr[ 31: 0], mx[ 31: 0]);

  assign do = ((Rrg[0] == 1)? sr: mx) ^ ki;

  function [7:0] rcon;
  input [9:0] x;
    casex (x)
      10'bxxxxxxxxx1: rcon = 8'h01;
      10'bxxxxxxxx1x: rcon = 8'h02;
      10'bxxxxxxx1xx: rcon = 8'h04;
      10'bxxxxxx1xxx: rcon = 8'h08;
      10'bxxxxx1xxxx: rcon = 8'h10;
      10'bxxxx1xxxxx: rcon = 8'h20;
      10'bxxx1xxxxxx: rcon = 8'h40;
      10'bxx1xxxxxxx: rcon = 8'h80;
      10'bx1xxxxxxxx: rcon = 8'h1b;
      10'b1xxxxxxxxx: rcon = 8'h36;
    endcase
  endfunction

  assign ko = {ki[127:96] ^ {so[31:24] ^ rcon(Rrg), so[23: 0]},
               ki[ 95:64] ^ ko[127:96],
               ki[ 63:32] ^ ko[ 95:64],
               ki[ 31: 0] ^ ko[ 63:32]};
endmodule


/////////////////////////////
//   AES for encryption    //
/////////////////////////////
module AES_PPRM1_ENC(Kin, Din, Dout, Krdy, Drdy, RSTn, EN, CLK, BSY, Kvld, Dvld);
  input  [127:0] Kin;  // Key input
  input  [127:0] Din;  // Data input
  output [127:0] Dout; // Data output
  input  Krdy;         // Key input ready
  input  Drdy;         // Data input ready
  input  RSTn;         // Reset (Low active)
  input  EN;           // AES circuit enable
  input  CLK;          // System clock
  output BSY;          // Busy signal
  output Kvld;         // Key valid
  output Dvld;         // Data output valid

  reg  [127:0] Drg;    // Data register
  reg  [127:0] Krg;    // Key register
  reg  [127:0] KrgX;   // Temporary key Register
  reg  [9:0]   Rrg;    // Round counter
  reg  Kvldrg, Dvldrg, BSYrg;
  wire [127:0] Dnext, Knext;

  AES_PPRM1_EncCore EC (Drg, KrgX, Rrg, Dnext, Knext);

  assign Kvld = Kvldrg;
  assign Dvld = Dvldrg;
  assign Dout = Drg;
  assign BSY  = BSYrg;

  always @(posedge CLK) begin
    if (RSTn == 0) begin
      Krg    <= 128'h0000000000000000;
      KrgX   <= 128'h0000000000000000;
      Rrg    <= 10'b0000000001;
      Kvldrg <= 0;
      Dvldrg <= 0;
      BSYrg  <= 0;
    end
    else if (EN == 1) begin
      if (BSYrg == 0) begin
        if (Krdy == 1) begin
          Krg    <= Kin;
          KrgX   <= Kin;
          Kvldrg <= 1;
          Dvldrg <= 0;
        end
        else if (Drdy == 1) begin
          Rrg    <= {Rrg[8:0], Rrg[9]};
          KrgX   <= Knext;
          Drg    <= Din ^ Krg;
          Dvldrg <= 0;
          BSYrg  <= 1;
        end
      end
      else begin
        Drg <= Dnext;
        if (Rrg[0] == 1) begin
          KrgX   <= Krg;
          Dvldrg <= 1;
          BSYrg  <= 0;
        end
        else begin
          Rrg    <= {Rrg[8:0], Rrg[9]};
          KrgX   <= Knext;
        end
      end
    end
  end
endmodule


/////////////////////////////
//   AES for encryption    //
//   with output register  //
/////////////////////////////
module AES_PPRM1_ENCx(Kin, Din, Dout, Krdy, Drdy, RSTn, EN, CLK, BSY, Kvld, Dvld);
  input  [127:0] Kin;  // Key input
  input  [127:0] Din;  // Data input
  output [127:0] Dout; // Data output
  input  Krdy;         // Key input ready
  input  Drdy;         // Data input ready
  input  RSTn;         // Reset (Low active)
  input  EN;           // AES circuit enable
  input  CLK;          // System clock
  output BSY;          // Busy signal
  output Kvld;         // Key valid
  output Dvld;         // Data output valid

  reg  [127:0] Drg;    // Data register
  reg  [127:0] DrgX;   // Data output regsiter
  reg  [127:0] Krg;    // Key register
  reg  [127:0] KrgX;   // Temporary key Register
  reg  [9:0]   Rrg;    // Round counter
  reg  Kvldrg, Dvldrg, BSYrg;
  wire [127:0] Dnext, Knext;

  AES_PPRM1_EncCore EC (Drg, KrgX, Rrg, Dnext, Knext);

  assign Kvld = Kvldrg;
  assign Dvld = Dvldrg;
  assign Dout = DrgX;
  assign BSY  = BSYrg;

  always @(posedge CLK) begin
    if (RSTn == 0) begin
      Krg    <= 128'h0000000000000000;
      KrgX   <= 128'h0000000000000000;
      Rrg    <= 10'b0000000001;
      Kvldrg <= 0;
      Dvldrg <= 0;
      BSYrg  <= 0;
    end
    else if (EN == 1) begin
      if (BSYrg == 0) begin
        if (Krdy == 1) begin
          Krg    <= Kin;
          KrgX   <= Kin;
          Kvldrg <= 1;
          Dvldrg <= 0;
        end
        else if (Drdy == 1) begin
          Rrg    <= {Rrg[8:0], Rrg[9]};
          KrgX   <= Knext;
          Drg    <= Din ^ Krg;
          Dvldrg <= 0;
          BSYrg  <= 1;
        end
      end
      else begin
        if (Rrg[0] == 1) begin
          KrgX   <= Krg;
          DrgX   <= Dnext;
          Dvldrg <= 1;
          BSYrg  <= 0;
        end
        else begin
          Rrg    <= {Rrg[8:0], Rrg[9]};
          KrgX   <= Knext;
          Drg    <= Dnext;
        end
      end
    end
  end
endmodule