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ECC协处理器专用指令与可重构单元设计技术研究

作　者: 张军
导　师: 戴紫彬
学　校: 解放军信息工程大学
专　业: 军事通信学
关键词: 椭圆曲线密码专用指令集处理器向量处理数据级并行
分类号: TN918.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 33次
引　用: 1次
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  7-8
Abstract  8-9
第一章绪论  9-14
  1.1 课题的研究背景及意义  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-12
    1.2.1 ASIP 实现方式  10-11
    1.2.2 向量实现方式  11-12
  1.3 课题研究思路、结构及创新点  12-14
    1.3.1 研究思路  12
    1.3.2 论文结构  12
    1.3.3 本文创新点  12-14
第二章 ECC 算法及向量处理特点分析  14-23
  2.1 ECC 运算处理的特点  14-18
    2.1.1 ECC 算法理论基础  14-16
    2.1.2 ECC 算法的基本特征  16-17
    2.1.3 ECC 算法的基本运算操作  17-18
  2.2 ECC 运算处理的存储特征  18-21
    2.2.1 通用数据容量需求分析  19
    2.2.2 P 值数据容量需求分析  19-21
  2.3 向量处理特点  21-22
  2.4 本章小结  22-23
第三章 ECC 协处理器专用指令集设计  23-35
  3.1 专用指令集概述  23-25
  3.2 向量模加减指令  25-28
    3.2.1 模加减操作研究  25
    3.2.2 模加减指令设计  25-28
      3.2.2.1 静态配置指令  26
      3.2.2.2 向量模加减指令设计  26-28
  3.3 向量模乘指令  28-30
    3.3.1 模乘操作研究  28-29
    3.3.2 向量模乘指令设计  29-30
  3.4 向量模逆指令  30-31
    3.4.1 模逆操作研究  30-31
    3.4.2 向量模逆指令设计  31
  3.5 K 值比较指令  31-34
    3.5.1 K 值比较操作研究  32
    3.5.2 K 值比较指令设计  32-34
  3.6 本章小结  34-35
第四章 ECC 协处理器可重构向量功能单元设计  35-50
  4.1 可重构向量功能单元设计概述  35-36
  4.2 可重构向量模加减单元设计  36-40
    4.2.1 双域模加减算法分析  36-37
    4.2.2 向量模加减单元设计  37-38
    4.2.3 向量模加减单元实现结果及仿真验证结果  38-40
      4.2.3.1 模加减实现结果  38-39
      4.2.3.2 模加减仿真验证结果  39-40
  4.3 可重构向量模乘单元设计  40-45
    4.3.1 双域模乘算法分析  40-41
    4.3.2 向量模乘单元设计  41-43
    4.3.3 向量模乘单元实现结果及仿真验证结果  43-45
      4.3.3.1 模乘实现结果  43-44
      4.3.3.2 模乘仿真验证结果  44-45
  4.4 可重构向量模逆单元设计  45-49
    4.4.1 双域模逆算法分析  45-46
    4.4.2 向量模逆单元设计  46-48
    4.4.3 向量模逆单元实现结果及仿真验证结果  48-49
      4.4.3.1 模逆实现结果  48
      4.4.3.2 模逆验证结果  48-49
  4.5 本章小结  49-50
第五章 ECC 协处理器实现、验证及性能评估  50-61
  5.1 ECC 协处理器整体结构  50-51
  5.2 系统验证  51-56
    5.2.1 软件模拟验证  51-54
    5.2.2 硬件仿真验证  54-55
    5.2.3 FPGA 仿真验证  55-56
  5.3 性能评价  56-60
    5.3.1 FPGA 实现结果  56
    5.3.2 ASIC 实现结果  56-57
    5.3.3 协处理器性能  57-60
      5.3.3.1 点乘算法的性能及比较  57-58
      5.3.3.2 应用协议的性能及比较  58-60
  5.4 本章小结  60-61
第六章总结与展望  61-63
  6.1 总结  61
  6.2 展望  61-63
参考文献  63-67
作者简历攻读硕士学位期间完成的主要工作  67-68
致谢  68

ECC协处理器专用指令与可重构单元设计技术研究

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