论文摘要
随着电子商务的发展，出现了智能卡、电子钥匙USB KEY等，广泛应用于交通、身份认证等领域，极大的方便了人们的工作和生活。RSA是目前应用最广泛的公开密钥算法，在智能卡等小型移动设备中实现RSA密钥算法，具有十分重大的意义。本设计的设计目标定义为面向低端，兼顾小面积和高性能，设计内容是包括RSA IP核设计和RSA密钥生成在内的一整套RSA算法解决方案。为保证安全性，可支持密钥长度要达到2048比特。本文首先对RSA加解密算法进行了深入分析，确定使用RL方式的二进制扫描算法实现模幂，使用Montgomery CIOS算法实现模乘，详细分析算法参数的选择，并对模平方等算法进行优化。通过软件建模，明确了算法实现的层次，为硬件实现奠定了良好的基础。在IP核设计中，根据设计目标选择32位高基模乘器作为核心硬件结构。之后合理划分层次模块，根据算法优化控制逻辑。在模乘器数据通路中，使用两级流水线，4-2压缩器等技术缩短关键路径，并使用两倍于模乘器字长的T SRAM存储运算中间结果，进一步提高了硬件利用率。存储系统使用5个SRAM存储操作数、中间结果和最终结果，有效缩小IP面积；用反相时钟技术和高效的存储策略，将其他模块与存储系统交互的开销降到最低。最终使IP核实现小面积、高性能，在100Mhz时钟下，2048位模幂（操作数长度均为2048位）的速度约为3.7次/秒，1024位模幂速度约为33次/秒，性能优良。IP核支持大于32位，小于2048位的模幂和模乘运算，采用通用接口设计，利于SOC集成，且具备密钥保护功能，操作简便。为了达到商用标准，本设计对RSA IP核进行了严格的测试验证，包括功能测试、性能测试和压力测试。遵循经典ASIC设计流程，搭建符合C*Bus总线时序的仿真环境，做综合，静态时序分析，形式验证，以及版图设计。本设计在smic 0.18um工艺下最终版图面积小于1mm2,在100Mhz时钟下满足前端定义的时序约束。由于RSA密钥更换频率较低，为了节省硬件资源，采用嵌入式软件的方式实现RSA密钥生成算法。本设计使用的算法用于生成1024位和2048位RSA密钥，基于国产32位CPU核（C*CORE C340），使用硬件真随机数发生器HRNG和RSA协处理器进行硬件加速。通过对算法原理和步骤进行深入分析，提出生成素数的三个步骤：随机产生奇数候选数，预筛选，素性测试。通过研究和优化预筛选算法，大大提高了产生素数的效率。分别使用Euclid算法和扩展Euclid算法求解最大公约数和模逆。最后根据嵌入式系统的特点对整个算法进行了优化，测试结果与同类产品相比有一定优势。