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Merge pull request #2 from AhmedSobhy01/key-expansion-module
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✨ Implemented KeyExpansion Module
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@AhmedSobhy01
AhmedSobhy01 authored Apr 21, 2024
2 parents 0bd7d14 + a561d89 commit 5efc772
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Showing 2 changed files with 354 additions and 0 deletions.
86 changes: 86 additions & 0 deletions KeyExpansion.v
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@@ -0,0 +1,86 @@
module KeyExpansionRound(roundCount, keyIn, keyOut);
input [3:0] roundCount;
input [127:0] keyIn;

output [127:0] keyOut;

genvar i;

// Split the key into 4 words
wire [31:0] words[3:0];

generate
for (i = 0; i < 4; i = i + 1) begin: KeySplitLoop
assign words[i] = keyIn[127 - i * 32 -: 32];
end
endgenerate

// Rotate the words (rotWord)
wire [31:0] w3Rot = {words[3][23:0], words[3][31:24]};

// Perform the substitution of the words (subWord)
wire [31:0] w3Sub;

generate
for (i = 0; i < 4; i = i + 1) begin: SBoxLoop
SBox sBox(w3Rot[i * 8 +: 8], w3Sub[i * 8 +: 8]);
end
endgenerate

// Perform the XOR operation with the round constant (roundConstant)
reg [31:0] roundConstant;
always @(*)
begin
case (roundCount)
4'h1: roundConstant = 32'h01_000000;
4'h2: roundConstant = 32'h02_000000;
4'h3: roundConstant = 32'h04_000000;
4'h4: roundConstant = 32'h08_000000;
4'h5: roundConstant = 32'h10_000000;
4'h6: roundConstant = 32'h20_000000;
4'h7: roundConstant = 32'h40_000000;
4'h8: roundConstant = 32'h80_000000;
4'h9: roundConstant = 32'h1b_000000;
4'ha: roundConstant = 32'h36_000000;
default: roundConstant = 32'h00_000000;
endcase
end

assign keyOut[127:96] = words[0] ^ w3Sub ^ roundConstant; // XOR the first word with the round constant
assign keyOut[95:64] = words[1] ^ keyOut[127:96]; // XOR the second word with the first word
assign keyOut[63:32] = words[2] ^ keyOut[95:64]; // XOR the third word with the second word
assign keyOut[31:0] = words[3] ^ keyOut[63:32]; // XOR the fourth word with the third word
endmodule

module KeyExpansion(keyIn, keysOut);
input [127:0] keyIn;
output [(11 * 128) - 1:0] keysOut;

assign keysOut[127:0] = keyIn;

// Perform the key expansion rounds (KeyExpansionRound)
genvar i;
generate
for (i = 0; i < 10; i = i + 1) begin : KeyExpansionLoop
KeyExpansionRound keyExpansionRound(i + 1, keysOut[127 + i * 128 -: 128], keysOut[255 + i * 128 -: 128]);
end
endgenerate
endmodule

module KeyExpansion_DUT();
reg [127:0] keyIn;
wire [(11 * 128) - 1:0] keysOut;

KeyExpansion keyExpansion(keyIn, keysOut);

initial begin
keyIn = 128'h2b_7e_15_16_28_ae_d2_a6_ab_f7_15_88_09_cf_4f_3c; // 128-bit key from the AES standard document
end

initial begin
$display("KeyExpansion_DUT");
$display("==================================");
$display("keyIn = %h", keyIn);
$monitor("keysOut = %h, %h, %h, %h, %h, %h, %h, %h, %h, %h, %h", keysOut[127:0], keysOut[255:128], keysOut[383:256], keysOut[511:384], keysOut[639:512], keysOut[767:640], keysOut[895:768], keysOut[1023:896], keysOut[1151:1024], keysOut[1279:1152], keysOut[1407:1280]);
end
endmodule
268 changes: 268 additions & 0 deletions SBox.v
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Original file line number Diff line number Diff line change
@@ -0,0 +1,268 @@
module SBox(in, out);
input [7:0] in;
output [7:0] out;

reg [7:0] tmp;
assign out = tmp;

always @(in) begin
case (in)
8'h00: tmp = 8'h63;
8'h01: tmp = 8'h7c;
8'h02: tmp = 8'h77;
8'h03: tmp = 8'h7b;
8'h04: tmp = 8'hf2;
8'h05: tmp = 8'h6b;
8'h06: tmp = 8'h6f;
8'h07: tmp = 8'hc5;
8'h08: tmp = 8'h30;
8'h09: tmp = 8'h01;
8'h0a: tmp = 8'h67;
8'h0b: tmp = 8'h2b;
8'h0c: tmp = 8'hfe;
8'h0d: tmp = 8'hd7;
8'h0e: tmp = 8'hab;
8'h0f: tmp = 8'h76;
8'h10: tmp = 8'hca;
8'h11: tmp = 8'h82;
8'h12: tmp = 8'hc9;
8'h13: tmp = 8'h7d;
8'h14: tmp = 8'hfa;
8'h15: tmp = 8'h59;
8'h16: tmp = 8'h47;
8'h17: tmp = 8'hf0;
8'h18: tmp = 8'had;
8'h19: tmp = 8'hd4;
8'h1a: tmp = 8'ha2;
8'h1b: tmp = 8'haf;
8'h1c: tmp = 8'h9c;
8'h1d: tmp = 8'ha4;
8'h1e: tmp = 8'h72;
8'h1f: tmp = 8'hc0;
8'h20: tmp = 8'hb7;
8'h21: tmp = 8'hfd;
8'h22: tmp = 8'h93;
8'h23: tmp = 8'h26;
8'h24: tmp = 8'h36;
8'h25: tmp = 8'h3f;
8'h26: tmp = 8'hf7;
8'h27: tmp = 8'hcc;
8'h28: tmp = 8'h34;
8'h29: tmp = 8'ha5;
8'h2a: tmp = 8'he5;
8'h2b: tmp = 8'hf1;
8'h2c: tmp = 8'h71;
8'h2d: tmp = 8'hd8;
8'h2e: tmp = 8'h31;
8'h2f: tmp = 8'h15;
8'h30: tmp = 8'h04;
8'h31: tmp = 8'hc7;
8'h32: tmp = 8'h23;
8'h33: tmp = 8'hc3;
8'h34: tmp = 8'h18;
8'h35: tmp = 8'h96;
8'h36: tmp = 8'h05;
8'h37: tmp = 8'h9a;
8'h38: tmp = 8'h07;
8'h39: tmp = 8'h12;
8'h3a: tmp = 8'h80;
8'h3b: tmp = 8'he2;
8'h3c: tmp = 8'heb;
8'h3d: tmp = 8'h27;
8'h3e: tmp = 8'hb2;
8'h3f: tmp = 8'h75;
8'h40: tmp = 8'h09;
8'h41: tmp = 8'h83;
8'h42: tmp = 8'h2c;
8'h43: tmp = 8'h1a;
8'h44: tmp = 8'h1b;
8'h45: tmp = 8'h6e;
8'h46: tmp = 8'h5a;
8'h47: tmp = 8'ha0;
8'h48: tmp = 8'h52;
8'h49: tmp = 8'h3b;
8'h4a: tmp = 8'hd6;
8'h4b: tmp = 8'hb3;
8'h4c: tmp = 8'h29;
8'h4d: tmp = 8'he3;
8'h4e: tmp = 8'h2f;
8'h4f: tmp = 8'h84;
8'h50: tmp = 8'h53;
8'h51: tmp = 8'hd1;
8'h52: tmp = 8'h00;
8'h53: tmp = 8'hed;
8'h54: tmp = 8'h20;
8'h55: tmp = 8'hfc;
8'h56: tmp = 8'hb1;
8'h57: tmp = 8'h5b;
8'h58: tmp = 8'h6a;
8'h59: tmp = 8'hcb;
8'h5a: tmp = 8'hbe;
8'h5b: tmp = 8'h39;
8'h5c: tmp = 8'h4a;
8'h5d: tmp = 8'h4c;
8'h5e: tmp = 8'h58;
8'h5f: tmp = 8'hcf;
8'h60: tmp = 8'hd0;
8'h61: tmp = 8'hef;
8'h62: tmp = 8'haa;
8'h63: tmp = 8'hfb;
8'h64: tmp = 8'h43;
8'h65: tmp = 8'h4d;
8'h66: tmp = 8'h33;
8'h67: tmp = 8'h85;
8'h68: tmp = 8'h45;
8'h69: tmp = 8'hf9;
8'h6a: tmp = 8'h02;
8'h6b: tmp = 8'h7f;
8'h6c: tmp = 8'h50;
8'h6d: tmp = 8'h3c;
8'h6e: tmp = 8'h9f;
8'h6f: tmp = 8'ha8;
8'h70: tmp = 8'h51;
8'h71: tmp = 8'ha3;
8'h72: tmp = 8'h40;
8'h73: tmp = 8'h8f;
8'h74: tmp = 8'h92;
8'h75: tmp = 8'h9d;
8'h76: tmp = 8'h38;
8'h77: tmp = 8'hf5;
8'h78: tmp = 8'hbc;
8'h79: tmp = 8'hb6;
8'h7a: tmp = 8'hda;
8'h7b: tmp = 8'h21;
8'h7c: tmp = 8'h10;
8'h7d: tmp = 8'hff;
8'h7e: tmp = 8'hf3;
8'h7f: tmp = 8'hd2;
8'h80: tmp = 8'hcd;
8'h81: tmp = 8'h0c;
8'h82: tmp = 8'h13;
8'h83: tmp = 8'hec;
8'h84: tmp = 8'h5f;
8'h85: tmp = 8'h97;
8'h86: tmp = 8'h44;
8'h87: tmp = 8'h17;
8'h88: tmp = 8'hc4;
8'h89: tmp = 8'ha7;
8'h8a: tmp = 8'h7e;
8'h8b: tmp = 8'h3d;
8'h8c: tmp = 8'h64;
8'h8d: tmp = 8'h5d;
8'h8e: tmp = 8'h19;
8'h8f: tmp = 8'h73;
8'h90: tmp = 8'h60;
8'h91: tmp = 8'h81;
8'h92: tmp = 8'h4f;
8'h93: tmp = 8'hdc;
8'h94: tmp = 8'h22;
8'h95: tmp = 8'h2a;
8'h96: tmp = 8'h90;
8'h97: tmp = 8'h88;
8'h98: tmp = 8'h46;
8'h99: tmp = 8'hee;
8'h9a: tmp = 8'hb8;
8'h9b: tmp = 8'h14;
8'h9c: tmp = 8'hde;
8'h9d: tmp = 8'h5e;
8'h9e: tmp = 8'h0b;
8'h9f: tmp = 8'hdb;
8'ha0: tmp = 8'he0;
8'ha1: tmp = 8'h32;
8'ha2: tmp = 8'h3a;
8'ha3: tmp = 8'h0a;
8'ha4: tmp = 8'h49;
8'ha5: tmp = 8'h06;
8'ha6: tmp = 8'h24;
8'ha7: tmp = 8'h5c;
8'ha8: tmp = 8'hc2;
8'ha9: tmp = 8'hd3;
8'haa: tmp = 8'hac;
8'hab: tmp = 8'h62;
8'hac: tmp = 8'h91;
8'had: tmp = 8'h95;
8'hae: tmp = 8'he4;
8'haf: tmp = 8'h79;
8'hb0: tmp = 8'he7;
8'hb1: tmp = 8'hc8;
8'hb2: tmp = 8'h37;
8'hb3: tmp = 8'h6d;
8'hb4: tmp = 8'h8d;
8'hb5: tmp = 8'hd5;
8'hb6: tmp = 8'h4e;
8'hb7: tmp = 8'ha9;
8'hb8: tmp = 8'h6c;
8'hb9: tmp = 8'h56;
8'hba: tmp = 8'hf4;
8'hbb: tmp = 8'hea;
8'hbc: tmp = 8'h65;
8'hbd: tmp = 8'h7a;
8'hbe: tmp = 8'hae;
8'hbf: tmp = 8'h08;
8'hc0: tmp = 8'hba;
8'hc1: tmp = 8'h78;
8'hc2: tmp = 8'h25;
8'hc3: tmp = 8'h2e;
8'hc4: tmp = 8'h1c;
8'hc5: tmp = 8'ha6;
8'hc6: tmp = 8'hb4;
8'hc7: tmp = 8'hc6;
8'hc8: tmp = 8'he8;
8'hc9: tmp = 8'hdd;
8'hca: tmp = 8'h74;
8'hcb: tmp = 8'h1f;
8'hcc: tmp = 8'h4b;
8'hcd: tmp = 8'hbd;
8'hce: tmp = 8'h8b;
8'hcf: tmp = 8'h8a;
8'hd0: tmp = 8'h70;
8'hd1: tmp = 8'h3e;
8'hd2: tmp = 8'hb5;
8'hd3: tmp = 8'h66;
8'hd4: tmp = 8'h48;
8'hd5: tmp = 8'h03;
8'hd6: tmp = 8'hf6;
8'hd7: tmp = 8'h0e;
8'hd8: tmp = 8'h61;
8'hd9: tmp = 8'h35;
8'hda: tmp = 8'h57;
8'hdb: tmp = 8'hb9;
8'hdc: tmp = 8'h86;
8'hdd: tmp = 8'hc1;
8'hde: tmp = 8'h1d;
8'hdf: tmp = 8'h9e;
8'he0: tmp = 8'he1;
8'he1: tmp = 8'hf8;
8'he2: tmp = 8'h98;
8'he3: tmp = 8'h11;
8'he4: tmp = 8'h69;
8'he5: tmp = 8'hd9;
8'he6: tmp = 8'h8e;
8'he7: tmp = 8'h94;
8'he8: tmp = 8'h9b;
8'he9: tmp = 8'h1e;
8'hea: tmp = 8'h87;
8'heb: tmp = 8'he9;
8'hec: tmp = 8'hce;
8'hed: tmp = 8'h55;
8'hee: tmp = 8'h28;
8'hef: tmp = 8'hdf;
8'hf0: tmp = 8'h8c;
8'hf1: tmp = 8'ha1;
8'hf2: tmp = 8'h89;
8'hf3: tmp = 8'h0d;
8'hf4: tmp = 8'hbf;
8'hf5: tmp = 8'he6;
8'hf6: tmp = 8'h42;
8'hf7: tmp = 8'h68;
8'hf8: tmp = 8'h41;
8'hf9: tmp = 8'h99;
8'hfa: tmp = 8'h2d;
8'hfb: tmp = 8'h0f;
8'hfc: tmp = 8'hb0;
8'hfd: tmp = 8'h54;
8'hfe: tmp = 8'hbb;
8'hff: tmp = 8'h16;
endcase
end
endmodule

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