AES 加密演算法介紹（一）：基本概念、規格與常見模式

 AES (Advanced Encryption Standard)

一、AES 是什麼

• 對稱式加密
• 區塊加密
• 加密與解密使用同一把 Key
• AES 本身不是 Hash，也不是 MAC
• AES 本身只提供區塊加密能力，實際應用還需要搭配運作模式

     AES 是一種對稱式區塊加密演算法，主要用途是將可以直接閱讀的明文（Plaintext）轉換成無法直接理解的密文（Ciphertext）。持有正確金鑰的一方，才能再將密文解密回原始明文。

二、基本規格

•     主要有以下三種，差異為金鑰長度及計算幾輪

AES 類型	Key 長度	Key 大小	Round 數
AES-128	128 bits	16 bytes	10
AES-192	192 bits	24 bytes	12
AES-256	256 bits	32 bytes	14

•     無論使用 AES-128、AES-192 或 AES-256，AES 的區塊大小（Block Size）都固定為 128 bits，也就是 16 bytes。
• AES-128、AES-192 與 AES-256 中的數字代表的是 Key Size，不是 Block Size。

三、AES 核心輸入與輸出介面

加密 AES_Encrypt(Key, PlaintextBlock) → CiphertextBlock

解密 AES_Decrypt(Key, CiphertextBlock) → PlaintextBlock

PlaintextBlock：16 bytes

CiphertextBlock：16 bytes

Key：16、24 或 32 bytes

 

四、為什麼需要運作模式

當資料長度為 100 bytes 時，AES Core 一次只能處理 16 bytes，所以需要規則決定

• 如何分割資料
• Block 之間如何連接
• 是否需要 Padding
• 是否需要 IV 或 Nonce
• 是否驗證資料完整性

五、AES 的五種常見模式

模式		完整性/認證	IV/Nonce/Counter	明文 Padding
ECB		否	不需要	通常需要
CBC		否	IV	通常需要
CTR		否	Counter Block	不需要
GCM		是，使用 Tag	IV/Nonce	不需要
CCM		是，使用 Tag	Nonce	不需要

    補充：Counter Block 通常由 Nonce 與遞增的 Counter 組成，詳細結構將於第五篇介紹。

六、AES 的常見用途

• HTTPS／TLS
• VPN
• Wi-Fi
• 硬碟加密
• 加密韌體映像
• 安全韌體更新
• 嵌入式系統
• PSA Crypto
• 金鑰儲存與資料保護

七、小結

AES 是一種對稱式區塊加密演算法，每次固定處理一個 128-bit，也就是 16-byte 的資料區塊。AES 支援 128、192 與 256-bit 三種金鑰長度，分別執行 10、12 與 14 輪核心運算。由於 AES Core 本身一次只能處理一個 Block，因此實際處理多個資料區塊或任意長度資料時，還需要搭配 ECB、CBC、CTR、GCM 或 CCM 等運作模式。下一篇將進一步介紹 AES Core 內部的主要運算流程。

NK-N9H31A2 開發板:ETIMER

在 Timer 這篇中已介紹相關基本觀念，本篇將配合實際範例進行操作，使用 N9H31 的 ETIMER 控制 LED 定時閃爍，並透過 UART 輸出訊息。

本範例以官方提供的 ETIMER_Periodic 為基礎進行修改。原始範例僅透過 UART 輸出計數秒數，未對應到開發板上的 LED，因此本篇額外加入 GPIO 控制，使 LED 能夠呈現固定週期的亮滅。
同時，透過 serial port tool（例如 Arduino Serial Monitor）觀察 UART 訊息時間戳記，可進一步驗證 Timer 的實際運作頻率。

實驗目的

透過 Timer 定時觸發中斷：

• 控制 LED 週期性亮滅
• 透過 UART 輸出訊號，觀察時間間隔

使用範例

官方範例 ETIMER_Periodic

https://github.com/OpenNuvoton/N9H31_NonOS/tree/master/SampleCode/ETIMER_Perodic

程式碼

核心概念：Timer 週期性產生中斷 → CPU 進入 ISR → 在 ISR 中控制 LED 並輸出 UART 訊息。

範例是基於 Nuvoton 官方 Sample Code（ETIMER_Periodic）進行修改，

僅作為學習與教學用途，以下為修改後的範例程式：

static int state = 0;

/**
 * ETIMER0 interrupt handler. Toggle LED state and print message every time timer timeout.
 */
void ETMR0_IRQHandler(void)
{
	ETIMER_ClearIntFlag(0);

	if (state)
	{
		/* LED ON */
		outpw(REG_GPIOF_DATAOUT, inpw(REG_GPIOF_DATAOUT) & ~BIT10);
		outpw(REG_GPIOI_DATAOUT, inpw(REG_GPIOI_DATAOUT) & ~BIT10);
		state = 0;
		sysprintf("H\n");
	}
	else
	{
		/* LED OFF */
		outpw(REG_GPIOF_DATAOUT, inpw(REG_GPIOF_DATAOUT) | BIT10);
		outpw(REG_GPIOI_DATAOUT, inpw(REG_GPIOI_DATAOUT) | BIT10);
		state = 1;
		sysprintf("L\n");
	}
}

/*-----------------------------------------------------------------------------*/
int main(void)
{
	sysDisableCache();
	sysFlushCache(I_D_CACHE);
	sysEnableCache(CACHE_WRITE_BACK);
	sysInitializeUART();

	sysprintf("\nETIMER0 periodic + LED toggle test\n");

	/* Enable ETIMER0 clock */
	outpw(REG_CLK_PCLKEN0, inpw(REG_CLK_PCLKEN0) | (1 << 4));

	/* Enable GPIO clock */
	outpw(REG_CLK_PCLKEN0, inpw(REG_CLK_PCLKEN0) | (1 << 3));

	/* PF10 PI10 set as GPIO function */
	outpw(REG_SYS_GPF_MFPH, inpw(REG_SYS_GPF_MFPH) & ~(0xF << 8));
	outpw(REG_SYS_GPI_MFPH, inpw(REG_SYS_GPI_MFPH) & ~(0xF << 8));

	/* PF10 PI10 set as output */
	outpw(REG_GPIOF_DIR, inpw(REG_GPIOF_DIR) | BIT10);
	outpw(REG_GPIOI_DIR, inpw(REG_GPIOI_DIR) | BIT10);

	/* PF10 PI10 initial low */
	outpw(REG_GPIOF_DATAOUT, inpw(REG_GPIOF_DATAOUT) & ~BIT10);
	outpw(REG_GPIOI_DATAOUT, inpw(REG_GPIOI_DATAOUT) & ~BIT10);

	/* Set timer frequency to 1Hz */
	ETIMER_Open(0, ETIMER_TOGGLE_MODE, 1);

	/* Enable timer interrupt */
	ETIMER_EnableInt(0);
	sysInstallISR(HIGH_LEVEL_SENSITIVE | IRQ_LEVEL_1, ETMR0_IRQn, (PVOID)ETMR0_IRQHandler);
	sysSetLocalInterrupt(ENABLE_IRQ);
	sysEnableInterrupt(ETMR0_IRQn);

	/* Start Timer 0 */
	ETIMER_Start(0);

	while (1)
		;
}

補充說明：本範例同時控制 PF10 與 PI10，因為開發板上分別對應兩顆 LED。透過 Timer 中斷同時切換兩個 GPIO，可快速驗證 Timer 與中斷機制是否正常運作。

函式說明

ETIMER_Open(timerNo, mode, freq)

• 設定 Timer 的運作模式與目標頻率。
• 設定 Timer mode（One-shot / Periodic / Continuous / Toggle）
• 自動計算 prescaler 與 compare value
• 回傳實際可達到的頻率（可能略有誤差）

注意：此函式不會啟動 Timer，需搭配 ETIMER_Start()

ETIMER_EnableInt(timerNo)
    啟用 Timer 中斷功能。

sysInstallISR(level, irq, handler)
    註冊中斷服務函式（ISR）
　將 interrupt source 對應到 handler

sysSetLocalInterrupt(ENABLE_IRQ)
啟用 CPU 層級中斷（全域開關）

sysEnableInterrupt(irq)
啟用中斷控制器（AIC）中的指定 IRQ

ETIMER_Start(timerNo)
啟動 Timer 計數

ETIMER_ClearIntFlag(timerNo)
清除 Timer 中斷旗標

ETMR0_IRQHandler()

• Timer 中斷服務函式（ISR）
• 要處理的事情

目前流程：清除中斷旗標 -> 執行應用邏輯（toggle LED + UART 輸出）

原則：保持簡短 避免阻塞

Timer 中斷的觸發需要同時啟用：

1. Timer 中斷功能（ETIMER_EnableInt）

2. 中斷控制器（sysEnableInterrupt）

3. CPU 中斷（sysSetLocalInterrupt）

三者缺一不可。

實驗結果

韌體工程師需要懂一點硬體：Timer 計時器概念與實務應用

在嵌入式系統中，有一個幾乎無所不在、卻常常被低估的重要模組，就是 Timer（計時器）。無論是最基本的 LED 閃爍、系統運行時間統計，還是進階的 PWM 控制與週期性任務排程，都離不開 Timer 的運作。很多時候，我們在撰寫韌體時，只是「把 Timer 設起來讓它動」，但當遇到計時不準、頻率錯誤，或是系統行為異常時，才發現問題往往不是出在程式邏輯，而是對底層硬體運作理解不夠深入。

其實，Timer 的本質並不複雜，可以把它想像成一個搭配時脈（Clock）運作的計數器，就像日常生活中的碼表或鬧鐘一樣：時脈提供節奏，計數器負責累積，當達到某個條件時觸發對應的行為。

本篇文章將從硬體角度出發，說明 Timer 的基本運作原理、時脈來源與計時概念，並整理實務上常見的計時誤差原因，幫助韌體工程師建立更扎實的底層觀念，為後續實際應用（如 MCU Timer 設定與範例）打下基礎。

一、計時器使用概念

計時器的運作方式主要可以分為幾種基本模式：

• 上數（Up Counter）：從 0 開始累加，直到達到設定值
• 下數（Down Counter）：從設定值開始往下遞減至 0

當計數器達到指定條件時，通常會觸發事件（例如中斷或輸出變化），並依設定進行：

• 自動重載（Auto-reload）：計數器自動回到初始值，持續週期性運作
• 單次模式（One-shot）：計數完成後停止

二、時間誤差觀念

Timer 的精準度取決於其時脈來源（Clock Source），而這些時脈通常來自實體振盪器（如晶振或內部 RC 振盪器），本質上仍會存在微小誤差，這些誤差在短時間內幾乎難以察覺，但隨著時間累積，可能會逐漸放大。例如：每秒僅有極小誤差，長時間運行後，可能累積成數秒甚至數分鐘的偏差。

    Timer 的誤差主要來自於「時脈穩定性」，而時脈又會受到晶振品質、溫度與電壓變動影響。

    常見誤差來源

1. 晶振誤差（Frequency tolerance）
2. 溫度影響（Temperature drift）
3. 電壓變動（Voltage variation）

小故事

小時候，不論是指針式還是數位手錶，為了能夠準確掌握下課鐘聲，總會特別把時間對準。當鐘聲響起的那一刻，按下調整鍵，讓手錶與鐘聲同步，開始下一堂課休息的倒數。

而現在的手錶，多半支援 Wi-Fi 或藍牙，可以自動與網路時間同步，不需要再手動校正，也大幅降低了時間誤差累積的問題。

三、如何減少誤差

在這個部分首先要釐清問題的種類，因為 Timer 的誤差並不是單一原因造成，也沒有一種方法可以套用在所有情境。在實務上，應先判斷應用需求，再選擇合適的改善方式。以下常見分為三類

    案例一、低精度週期應用

    這類應用通常不需要高精度時間，只要大致週期正確即可 ex. LED / Timeout / 簡單週期 。

    常見問題：

• Timer 設定錯誤（clock / prescaler）
• ISR 執行時間過長

    建議作法：

• 確認 clock source 與分頻設定正確
• ISR 僅執行必要操作
• 避免使用 printf 或大量運算

    ＊誤差在可接受範圍內即可，不需過度設計

    案例二、長時間計時（RTC / System Time）

    這類的應用主要是時間的長時間累積而導致的誤差

    建議作法：

• 使用精度較高的晶振（Crystal / TCXO）
• 避免極端溫度與電壓變化
• 長時間運作時，定期校正時間
• 使用時間校正機制（如 RTC、NTP）

    ＊問題不在短時間，而是在「累積」

    案例三、高穩定波形輸出（PWM）

    PWM 的問題通常不是「慢慢偏掉」，而是「瞬間不穩定」，特別是在使用 Software PWM（透過 Timer interrupt 控制）時：
    常見問題：

• ISR 執行時間不固定
• 中斷延遲（latency）
• Duty cycle 抖動（jitter）

    建議作法：

• 優先使用硬體 PWM 模組
• 減少 ISR 執行時間
• 避免在 ISR 中做複雜運算
• 使用示波器確認實際波形
• 確認操作 PWM 硬體的流程

    ＊PWM 不準通常是「抖動問題」，不是 ppm 誤差

結語

Timer 看似只是簡單的計數器，但其準確度與穩定性，實際上取決於時脈來源、硬體設計與韌體使用方式，在不同應用情境下，應選擇合適的設計策略，才能在精度與系統負擔之間取得平衡。