RISC结构专用指令密码处理器研究与设计

论文摘要

传统上实现密码算法都是采用专用密码芯片和通用微处理器两种途径。专用密码芯片由于针对固定算法进行加密,速度快但灵活性较差;而通用微处理器虽然具有很大的灵活性,但密码处理速度较低。本文针对上述矛盾在RISC通用微处理器架构的基础上,研究并设计能高效实现分组密码算法的专用指令密码处理器。论文分析了RISC处理器在实现密码算法中存在的问题,结合密码应用的特殊要求,提出了RISC结构专用指令密码处理器融合型结构模型。该融合型结构对RISC结构进行了全新设计,融合了密码处理功能,能够有效地提高密码处理性能。论文扩展了一类专用密码运算指令,高效实现了分组密码处理中的S盒代替、比特置换、移位、有限域GF(2~8)域上矩阵乘法和算术模运算操作,大幅度提升了指令的执行效率;论文设计了一种能够灵活寻址的混合存储结构,对数据采取数据存储单元和专用存储单元共同存储的方式,加快了处理器对数据的访问速度;论文研究了密码处理中的资源相关、数据相关及控制相关问题,构造了适合密码运算的5级流水线结构,最后基于FPGA进行了实现。论文使用专用软硬件验证系统对实现结果进行了系统验证和性能分析。结果表明,本文所设计的RISC结构专用指令密码处理器可以灵活、高效地实现分组密码算法,能够满足分组密码处理的需求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景、意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究思路
• 1.1.3 研究意义
• 1.2 研究内容及创新点
• 1.2.1 研究内容
• 1.2.2 创新点
• 1.3 论文结构安排
• 第二章 RISC结构专用指令密码处理器设计综述
• 2.1 RISC处理器及其特点
• 2.1.1 RISC处理器体系结构概述
• 2.1.2 RISC处理器指令系统
• 2.1.3 RISC处理器流水线结构
• 2.2 RISC结构专用指令密码处理器结构特点
• 2.2.1 专用指令密码处理器概述
• 2.2.2 RISC结构专用指令密码处理器
• 2.3 RISC专用指令密码处理器结构模型
• 2.3.1 RISC增强型结构模型
• 2.3.2 RISC联合型结构模型
• 2.3.3 RISC融合型结构模型
• 2.4 本章小结
• 第三章 RISC结构专用指令密码处理器指令研究与设计
• 3.1 指令设计研究
• 3.2 移位指令
• 3.2.1 移位操作分析
• 3.2.2 移位指令设计
• 3.3 置换指令
• 3.3.1 置换操作分析
• 3.3.2 置换指令设计
• 3.4 S盒代替指令
• 3.4.1 S盒操作分析
• 3.4.2 S盒代替指令设计
• 3.5 有限域乘法指令
• 3.5.1 有限域乘法分析
• 3.5.2 有限域乘法指令设计
• 3.6 其它操作
• 3.6.1 模加/减运算指令
• 3.6.2 模乘运算指令
• 3.7 本章小结
• 第四章 RISC结构专用指令密码处理器存储结构研究
• 4.1 存储结构设计研究
• 4.1.1 分组密码的存储特性
• 4.1.2 RISC访存结构对密码运算的影响
• 4.2 RISC结构专用指令密码处理器存储结构
• 4.2.1 存储结构分析
• 4.2.2 存储结构设计
• 4.3 专用存储单元的设计
• 4.3.1 S盒存储模块
• 4.3.2 密钥及配置数据存储模块
• 4.4 寻址模式设计
• 4.5 本章小结
• 第五章 RISC结构专用指令密码处理器流水线微结构研究
• 5.1 流水线设计研究
• 5.2 流水线微结构设计
• 5.2.1 流水线结构的确定
• 5.2.2 流水线结构划分
• 5.3 指令在流水线中的数据通路
• 5.3.1 R类型指令数据通路
• 5.3.2 I类型指令数据通路
• 5.3.3 J类型指令数据通路
• 5.4 专用指令密码处理器流水线关键问题的解决
• 5.4.1 专用指令密码处理器流水线中资源相关的解决
• 5.4.2 专用指令密码处理器流水线中数据相关的解决
• 5.4.3 专用指令密码处理器流水线中控制相关的解决
• 5.5 本章小结
• 第六章硬件实现、验证与性能分析
• 6.1 硬件实现
• 6.2 系统验证
• 6.2.1 验证流程
• 6.2.2 软件模拟
• 6.2.3 硬件仿真
• 6.2.4 FPGA验证
• 6.3 性能分析
• 6.3.1 指令条数
• 6.3.2 密码处理性能
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 附录A 扩展指令集
• 附录B AES算法汇编程序
• 作者简历 攻读硕士学位期间完成的主要工作
• 致谢