ECC协处理器专用指令与可重构单元设计技术研究

论文摘要

随着椭圆曲线密码（ECC）逐渐在公钥密码应用中占据主导地位,高效灵活实现ECC的需求也变得越来越迫切。本文在分析研究ECC算法的基本特征、典型应用协议的运算操作构成及存储特性的基础上,结合向量处理技术的特点,以设计一种可以实现多种ECC算法的专用指令向量协处理器为目标,重点研究了专用指令集和可重构功能单元的设计技术。本文以ECC运算基本操作构成为基础,从数据并行处理的特点出发,遵循ASIP专用指令的设计原则,提出了面向二元域和素数域上ECC运算的专用指令集,并对运算指令中的向量模加、模减、模约减、模乘、模平方、模逆以及控制指令中的K值比较等7种基本指令进行了专门研究,为灵活实现多种ECC算法奠定了基础。本文根据专用指令设计的要求,结合向量处理的特点,选择了合适的有限域运算算法,对模加减、模乘、模逆等功能单元进行了可重构设计。可重构运算单元采用双域统一架构,能够实现双有限域上160～576-bit范围内的有限域基本运算。最后,以FPGA和ASIC两种方式分别对其进行了综合及仿真,验证了设计的正确性和功能的完备性,为专用指令的高效实现提供了重要支撑。本文从软件模拟、硬件仿真和FPGA验证三个不同的方面对协处理器进行了模拟验证,有效保证了设计的正确性;使用Synopsys公司的Design Compiler工具,采用0.18μm CMOS工艺标准单元库对设计进行了逻辑综合,与其它设计进行了性能比较。结果表明,本文设计的专用指令集协处理器具有算法适应性强、效率高的优点,具有较高的实用价值和广泛的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 ASIP 实现方式
• 1.2.2 向量实现方式
• 1.3 课题研究思路、结构及创新点
• 1.3.1 研究思路
• 1.3.2 论文结构
• 1.3.3 本文创新点
• 第二章 ECC 算法及向量处理特点分析
• 2.1 ECC 运算处理的特点
• 2.1.1 ECC 算法理论基础
• 2.1.2 ECC 算法的基本特征
• 2.1.3 ECC 算法的基本运算操作
• 2.2 ECC 运算处理的存储特征
• 2.2.1 通用数据容量需求分析
• 2.2.2 P 值数据容量需求分析
• 2.3 向量处理特点
• 2.4 本章小结
• 第三章 ECC 协处理器专用指令集设计
• 3.1 专用指令集概述
• 3.2 向量模加减指令
• 3.2.1 模加减操作研究
• 3.2.2 模加减指令设计
• 3.2.2.1 静态配置指令
• 3.2.2.2 向量模加减指令设计
• 3.3 向量模乘指令
• 3.3.1 模乘操作研究
• 3.3.2 向量模乘指令设计
• 3.4 向量模逆指令
• 3.4.1 模逆操作研究
• 3.4.2 向量模逆指令设计
• 3.5 K 值比较指令
• 3.5.1 K 值比较操作研究
• 3.5.2 K 值比较指令设计
• 3.6 本章小结
• 第四章 ECC 协处理器可重构向量功能单元设计
• 4.1 可重构向量功能单元设计概述
• 4.2 可重构向量模加减单元设计
• 4.2.1 双域模加减算法分析
• 4.2.2 向量模加减单元设计
• 4.2.3 向量模加减单元实现结果及仿真验证结果
• 4.2.3.1 模加减实现结果
• 4.2.3.2 模加减仿真验证结果
• 4.3 可重构向量模乘单元设计
• 4.3.1 双域模乘算法分析
• 4.3.2 向量模乘单元设计
• 4.3.3 向量模乘单元实现结果及仿真验证结果
• 4.3.3.1 模乘实现结果
• 4.3.3.2 模乘仿真验证结果
• 4.4 可重构向量模逆单元设计
• 4.4.1 双域模逆算法分析
• 4.4.2 向量模逆单元设计
• 4.4.3 向量模逆单元实现结果及仿真验证结果
• 4.4.3.1 模逆实现结果
• 4.4.3.2 模逆验证结果
• 4.5 本章小结
• 第五章 ECC 协处理器实现、验证及性能评估
• 5.1 ECC 协处理器整体结构
• 5.2 系统验证
• 5.2.1 软件模拟验证
• 5.2.2 硬件仿真验证
• 5.2.3 FPGA 仿真验证
• 5.3 性能评价
• 5.3.1 FPGA 实现结果
• 5.3.2 ASIC 实现结果
• 5.3.3 协处理器性能
• 5.3.3.1 点乘算法的性能及比较
• 5.3.3.2 应用协议的性能及比较
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 作者简历 攻读硕士学位期间完成的主要工作
• 致谢