并行可配置ECC协处理器关键技术研究

论文摘要

椭圆曲线密码体制(ECC)的应用范围广泛,标准众多;曲线类型与曲线参数可选择性强;群运算层与曲线层运算算法多种多样;有限域运算的实现方法也非常丰富。然而,ECC应用与实现多样性在带来众多好处的同时,也给ECC硬件实现的兼容性、适用性提出了严峻挑战。另一方面,在高端应用领域,如网络服务器、认证中心(CA),由于安全连接数较大,要求ECC算法芯片能提供高吞吐率的签名认证服务。因此,如何提高ECC算法芯片的灵活性,使其能够在单一芯片上支持曲线参数可配置、多种有限域上的ECC运算,同时又能达到较高的处理速度,成为当前ECC实现技术的研究热点与难点。本文从提高ECC算法芯片的灵活性与运算速度出发,对一款面向高端应用的ECC专用指令协处理器实现的关键技术进行了研究。主要做了以下四个方面的工作:一、提出了标准射影坐标系统下素数域与二进制域上的ECC点加、倍点并行调度算法。通过增加模乘功能单元与引入临时变量,提高了点加、倍点调度算法中模乘、模加、模减运算的并行度。分析表明,通过这种以空间换时间的方式,点加、倍点并行调度算法运算时间比传统的串行调度算法减小了50%以上。二、提出了一种三时钟模乘处理单元(PE)微结构。通过这种三时钟PE结构代替传统的双时钟结构,对可伸缩双域Montgomery模乘器进行了改进,缩短了模乘器的关键路径延时。在三时钟PE的微结构中,改进了一种双域Wallace混合树型结构对部分积进行压缩。同时,设计了一个高速的混合结构加法器,通过这个加法器把压缩后的冗余形式的中间值转化为常规表示,减少了重定时寄存器的数目。综合结果显示,通过这些改进措施,在SMIC 0.18μm CMOS工艺下,模乘器最大工作频率能达到240MHz,GF(p)域上的256bit模乘运算只需要0.23μs。三、设计了一种可配置模加减器。采用基于字的模加、模减算法,使得模加、模减运算具有了可伸缩性。采用可重构的思想,在同一个硬件电路上实现素数域上的模加、模减和二进制域上的模加运算,减小了硬件实现的整体成本。四、提出了一种软硬件结合的并行可配置ECC实现方案。ECC密码协议和点乘调度算法由主处理器指令和扩展的ECC专用指令编程实现;ECC点加、倍点等运算则由硬件加速协处理器实现。在协处理器中,提出了一种基于超长指令字(VLIW)的并行处理架构对ECC并行调度算法进行映射。这种架构的一个显著特点是VLIW指令的并行性开发不需要专门的软件编译器的支持,而是通过ECC并行调度算法保证。性能分析表明,通过这种并行处理的方式,ECC点乘运算的速度可提高一倍以上。通过以上并行的调度算法、可配置的功能单元、可编程的扩展指令和并行处理的体系结构,提高了ECC算法芯片处理的灵活性,同时又达到了较高的运算速度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 研究内容、创新点及论文结构
• 第二章 ECC理论基础
• 2.1 有限域理论
• 2.1.1 GF（p）域
• m）域'>2.1.2 GF（2^m）域
• 2.2 椭圆曲线理论
• 2.2.1 椭圆曲线的定义
• 2.2.2 GF（p）域上的椭圆曲线
• m）域上的椭圆曲线'>2.2.3 GF（2^m）域上的椭圆曲线
• 2.3 椭圆曲线密码算法
• 2.4 本章小结
• 第三章 ECC调度算法研究
• 3.1 点乘调度算法
• 3.2 点加、倍点调度算法
• 3.2.1 点的坐标表示
• 3.2.2 点加与倍点并行调度算法
• 3.2.3 基于Fermat小定理求模逆的并行算法
• 3.3 本章小结
• 第四章 可配置功能单元微结构设计
• 4.1 可配置模乘器微结构设计
• 4.1.1 基于字的多精度Montgomery模乘算法
• 4.1.2 传统的可伸缩统一模乘器
• 4.1.3 优化的可伸缩统一模乘器
• 4.1.4 实现与性能比较
• 4.2 可配置模加减器微结构设计
• 4.2.1 基于字的模加、模减原理
• 4.2.2 基于字的可配置模加减器微结构
• 4.2.3 仿真与实现
• 4.3 本章小结
• 第五章 并行可配置ECC协处理器结构研究与设计
• 5.1 可重构部件与主处理器的祸合方式
• 5.2 ECC实现的体系结构
• 5.3 软硬件结合的ECC实现方案
• 5.4 基于VLIW的并行可配置ECC协处理器结构
• 5.4.1 总体结构
• 5.4.2 寄存器堆结构
• 5.4.3 扩展指令集
• 5.4.4 微程序编制
• 5.4.5 两级译码控制器
• 5.5 实现与性能分析
• 5.5.1 协处理器实现
• 5.5.2 性能分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 结束语
• 6.1 工作总结
• 6.2 有待进一步研究的工作
• 参考文献
• 附录A 点乘调度算法
• 附录B 各种坐标系统下的点加、倍点调度算法
• 附录C 微程序伪代码
• 作者简历 攻读硕士学位期间完成的主要工作
• 致谢