专用指令集安全处理器设计与实现

论文摘要

随着信息安全技术的快速普及,密码学算法获得了越来越广泛的应用。在嵌入式信息安全技术领域,存在两种传统的密码算法实现方法:一种是在嵌入式系统中对通用嵌入式处理器（GPP）进行编程,将复杂的密码运算用程序语言实现。这种可编程的实现方式灵活性好,但一般速度较慢,随着实际应用中算法运算强度的不断提高,这种方法已越来越不能适应要求;另一种方法则是在嵌入式系统中,针对特定的算法设计硬件加速器（ASIC）。这种方法无需复杂的软件编程,算法实现速度快,但同时ASIC的实现方式也带来了成本高、系统复杂和灵活性差等问题。为了克服传统方案的缺陷,目前专用指令集安全处理器作为一种全新的设计方案得到了重视和发展。在应用密码算法时,专用指令集安全处理器兼具通用处理器的灵活性和ASIC的高效性,并能够有效地降低设计成本。本文基于专用指令集架构提出了一种低成本、高性能的安全处理器解决方案,能够适用于各种嵌入式信息安全系统。本文通过分析RSA、AES和SHA-1等算法,提取并改进了算法中最复杂的运算步骤。在处理器结构内部,优化处理器的数据通路,并以较少的硬件代价大大加强了运算单元对这些步骤的支持。本文设计的专用指令集具有很高的密码算法执行性能,同时也为算法实现提供了很高的灵活性。因此本文的安全处理器能够实现软件的灵活性和硬件的高效性的有机统一。为有效验证本文的软硬件设计,本文以安全处理器为核心搭建了SoC测试平台。SoC芯片采用了SMIC 0.18um工艺流片,测试结果表明,该芯片的各项性能指标都达到了预期的目标。由于本文设计的处理器具备低成本、高性能和灵活性好的综合优点,因此它在无线通信设备、高端智能卡、安全潜入使系统等领域将具有非常良好的应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 密码学概论
• 1.1.1 对称密钥密码学
• 1.1.2 公钥密码学
• 1.2 嵌入式处理器的研究与进展
• 1.2.1 通用嵌入式处理器
• 1.2.2 专用嵌入式处理器
• 1.3 本文研究目标与研究内容
• 1.4 论文的内容和章节安排
• 第二章 专用指令集安全处理器体系结构设计
• 2.1 处理器体系结构概论
• 2.1.1 CISC和RISC指令集
• 2.1.2 冯·诺依曼和哈佛结构
• 2.1.3 五级经典流水线结构
• 2.2 专用指令集安全处理器总体架构设计
• 2.2.1 寄存器堆改进
• 2.2.2 流水线冲突解决机制
• 2.2.3 异常控制逻辑设计
• 2.3 本章小结
• 第三章 安全处理器密码运算单元设计与集成
• 3.1 密码算法简述
• 3.1.1 RSA算法简介
• 3.1.2 AES算法简介
• 3.1.3 SHA-1算法简介
• 3.2 低成本、高性能的MONTGOMERY算法实现方法
• 3.2.1 Scalable Montgomery算法
• 3.2.2 Scalable Montgomery算法硬件实现
• 3.3 低成本的AES算法实现方法
• 3.3.1 AES算法硬件实现简介
• 3.3.2 低成本AES算法流程
• 3.3.3 低成本AES算法硬件实现
• 3.4 SHA-1硬件实现
• 3.5 本章小结
• 第四章 处理器指令集设计及密码算法软件实现
• 4.1 专用指令集简介
• 4.2 密码算法软件实现
• 4.2.1 RSA算法软件实现
• 4.2.2 AES算法软件实现
• 4.2.3 SHA-1算法软件实现
• 4.3 指令集扩展方法研究
• 4.4 本章小结
• 第五章 安全处理器芯片AEGIS的功能验证与性能测试
• 5.1 SOC硬件测试平台设计
• 5.1.1 SoC硬件架构概述
• TM总线简介'>5.1.2 AMBA^TM总线简介
• 5.2 软件测试平台设计
• 5.2.1 桌面软件简介
• 5.2.2 测试程序设计
• 5.3 FPGA验证
• 5.4 芯片测试
• 5.4.1 测试环境
• 5.4.2 RSA功能验证及性能测试
• 5.4.3 AES功能验证及性能测试
• 5.4.4 SHA-1功能验证及性能测试
• 5.4.5 USB2.0功能测试
• 5.4.6 SoC芯片的功耗
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 硕士学习期间录用和发表的学术论文
• 致谢