基于RISC-V架构的物联网节点SoC研究与设计
发布时间：2021-04-22 18:34
物联网是新一代信息产业的重要组成部分,是将信息化技术更加全面地为人类生产生活服务的重大升级,应用前景巨大,蕴藏着万亿级市场。物联网节点SoC芯片作为物联网系统中的核心部件,对物联网系统的安全和性能有着至关重要的影响。近年来,国家对于物联网信息安全和自主可控研发技术高度重视,设计基于开源指令集、支持硬件加密和CNN加速计算的物联网节点SoC芯片具有重要意义。论文的主要工作是从芯片安全性、信息私密性和神经网络算法支持能力三个方面对物联网节点SoC进行研究,设计基于RISC-V架构、支持硬件加密和CNN加速计算的物联网节点SoC。在对轻量级密码算法SIMON成功进行DPA攻击的基础上,基于WDDL技术提出了一种紧凑型SIMON加密电路抗DPA优化设计方案,以较少的资源消耗使得物联网节点SoC具备安全可靠的数据加密措施。针对硬件木马对物联网芯片安全构成的威胁,研究了基于旁路分析的硬件木马检测方法,使用PCA和谱聚类分析方法通过电路功耗数据实现了对硬件木马电路的检测,保证了物联网节点SoC芯片在生产和封装过程中的安全性。为了应对物联网系统中日益增多的神经网络计算需求,通过电路复用技术提出了一种小...
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：106 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
缩略词
第一章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
1.2 课题相关技术研究现状
1.2.1 物联网节点SoC发展现状
1.2.2 RISC-V指令集发展现状
1.2.3 SIMON算法功耗攻击和防御措施研究现状
1.2.4 硬件木马检测技术研究现状
1.2.5 卷积神经网络硬件加速研究现状
1.3 论文主要工作
1.4 论文结构安排
第二章 轻量级密码算法SIMON的功耗攻击及防御措施研究
2.1 轻量级密码算法SIMON介绍
2.2 SIMON加密电路差分功耗攻击实现
2.2.1 DPA攻击原理及流程
2.2.2 SIMON加密电路DPA攻击流程
2.2.3 功耗攻击平台设计
2.2.4 SIMON加密电路功耗攻击结果
2.3 基于WDDL的 SIMON电路抗DPA优化设计
2.3.1 WDDL技术介绍
2.3.2 基于WDDL的 SIMON电路优化设计
2.3.3 功能验证与抗DPA效果分析
2.4 本章小结
第三章 基于旁路分析的硬件木马检测方法研究
3.1 硬件木马及其检测方法的研究与设计
3.1.1 硬件木马分类
3.1.2 基于旁路分析的硬件木马检测方法原理
3.1.3 功耗泄露型硬件木马设计
3.2 旁路数据处理算法介绍
3.2.1 主成分分析法原理介绍
3.2.2 谱聚类算法原理介绍
3.3 基于功耗分析的硬件木马检测方法研究与实现
3.3.1 功耗采集平台设计
3.3.2 基于PCA的功耗数据处理
3.3.3 基于谱聚类分析硬件木马判别
3.4 本章小结
第四章 面向物联网SOC的卷积神经网络加速单元设计
4.1 卷积神经网络算法介绍
4.2 卷积神经网络加速单元设计
4.2.1 CNN加速电路结构设计
4.2.2 高吞吐率数据存储通道设计
4.2.3 低带宽二维卷积电路设计
4.2.4 池化电路设计
4.2.5 卷积神经网络加速计算链设计
4.3 基于CORTEX-M3 内核的验证平台构建
4.3.1 Cortex-M3 处理器IP核介绍
4.3.2 SoC片上总线设计
4.3.3 卷积加速单元地址分配
4.3.4 基于FPGA的 SoC原型验证实现
4.3.5 SoC软件开发环境搭建
4.4 性能测试及结果分析
4.4.1 LeNet-5 网络介绍
4.4.2 LeNet-5 网络移植
4.4.3 测试结果分析
4.5 本章小结
第五章 基于RISC-V架构的物联网SOC设计
5.1 基于RISC-V架构物联网SOC介绍
5.1.1 SoC结构设计
5.1.2 RISC-V指令格式说明
5.1.3 基于四级流水线的处理器内核介绍
5.2 处理器CACHE设计
5.2.1 处理器Cache结构及替换策略研究
5.2.2 组关联型指令Cache设计
5.2.3 写回型数据Cache设计
5.2.4 Cache资源分析及性能测试
5.3 SOC软件开发环境搭建及启动程序设计
5.3.1 SoC地址空间划分
5.3.2 RISC-V处理器软件开发环境搭建
5.3.3 程序链接及ELF格式介绍
5.3.4 SoC BOOT程序设计
5.4 SOC资源及性能分析
5.5 本章小结
第六章 总结与展望
参考文献
致谢
在学期间的研究成果及发表的学术论文
【参考文献】：
期刊论文
[1]Differential attacks on reduced SIMON versions with dynamic key-guessing techniques[J]. Ning WANG,Xiaoyun WANG,Keting JIA,Jingyuan ZHAO. Science China（Information Sciences）. 2018(09)
[2]物联网环境下数据转发模型研究[J]. 李继蕊,李小勇,高雅丽,高云全,方滨兴. 软件学报. 2018(01)
[3]一种SM4掩码方法和抗DPA攻击分析[J]. 裴超. 密码学报. 2016(01)
[4]硬件木马威胁与识别技术综述[J]. 周昱,于宗光. 信息网络安全. 2016(01)
[5]SIMON算法的不可能差分分析[J]. 陈展,王宁. 密码学报. 2015(06)
[6]硬件木马综述[J]. 刘华锋,罗宏伟,王力纬. 微电子学. 2011(05)
博士论文
[1]抗功耗攻击的密码芯片电路级防护关键技术研究[D]. 乐大珩.国防科学技术大学 2011
[2]抗功耗攻击的安全SoC设计与实现关键技术研究[D]. 童元满.国防科学技术大学 2008
硕士论文
[1]针对全同态加密算法的硬件木马防御方案[D]. 谢宏峰.中国科学院深圳先进技术研究院 2016
[2]对若干轻量级分组密码算法的安全性分析[D]. 甘楠.东华大学 2016
[3]基于AES算法的抗功耗分析密码芯片的优化设计研究[D]. 董礼玲.南京航空航天大学 2016
[4]轻量级分组密码ESF的设计与实现[D]. 刘宣.山东师范大学 2014
[5]基于AES算法的硬件木马电路设计[D]. 史亚峰.天津大学 2012
[6]基于FPGA的旁路算法研究及其应用[D]. 李静.湖南大学 2011
[7]基于RISC架构嵌入式微处理器的设计与优化[D]. 闾佳斌.电子科技大学 2011
本文编号：3154262
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：106 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
缩略词
第一章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
1.2 课题相关技术研究现状
1.2.1 物联网节点SoC发展现状
1.2.2 RISC-V指令集发展现状
1.2.3 SIMON算法功耗攻击和防御措施研究现状
1.2.4 硬件木马检测技术研究现状
1.2.5 卷积神经网络硬件加速研究现状
1.3 论文主要工作
1.4 论文结构安排
第二章 轻量级密码算法SIMON的功耗攻击及防御措施研究
2.1 轻量级密码算法SIMON介绍
2.2 SIMON加密电路差分功耗攻击实现
2.2.1 DPA攻击原理及流程
2.2.2 SIMON加密电路DPA攻击流程
2.2.3 功耗攻击平台设计
2.2.4 SIMON加密电路功耗攻击结果
2.3 基于WDDL的 SIMON电路抗DPA优化设计
2.3.1 WDDL技术介绍
2.3.2 基于WDDL的 SIMON电路优化设计
2.3.3 功能验证与抗DPA效果分析
2.4 本章小结
第三章 基于旁路分析的硬件木马检测方法研究
3.1 硬件木马及其检测方法的研究与设计
3.1.1 硬件木马分类
3.1.2 基于旁路分析的硬件木马检测方法原理
3.1.3 功耗泄露型硬件木马设计
3.2 旁路数据处理算法介绍
3.2.1 主成分分析法原理介绍
3.2.2 谱聚类算法原理介绍
3.3 基于功耗分析的硬件木马检测方法研究与实现
3.3.1 功耗采集平台设计
3.3.2 基于PCA的功耗数据处理
3.3.3 基于谱聚类分析硬件木马判别
3.4 本章小结
第四章 面向物联网SOC的卷积神经网络加速单元设计
4.1 卷积神经网络算法介绍
4.2 卷积神经网络加速单元设计
4.2.1 CNN加速电路结构设计
4.2.2 高吞吐率数据存储通道设计
4.2.3 低带宽二维卷积电路设计
4.2.4 池化电路设计
4.2.5 卷积神经网络加速计算链设计
4.3 基于CORTEX-M3 内核的验证平台构建
4.3.1 Cortex-M3 处理器IP核介绍
4.3.2 SoC片上总线设计
4.3.3 卷积加速单元地址分配
4.3.4 基于FPGA的 SoC原型验证实现
4.3.5 SoC软件开发环境搭建
4.4 性能测试及结果分析
4.4.1 LeNet-5 网络介绍
4.4.2 LeNet-5 网络移植
4.4.3 测试结果分析
4.5 本章小结
第五章 基于RISC-V架构的物联网SOC设计
5.1 基于RISC-V架构物联网SOC介绍
5.1.1 SoC结构设计
5.1.2 RISC-V指令格式说明
5.1.3 基于四级流水线的处理器内核介绍
5.2 处理器CACHE设计
5.2.1 处理器Cache结构及替换策略研究
5.2.2 组关联型指令Cache设计
5.2.3 写回型数据Cache设计
5.2.4 Cache资源分析及性能测试
5.3 SOC软件开发环境搭建及启动程序设计
5.3.1 SoC地址空间划分
5.3.2 RISC-V处理器软件开发环境搭建
5.3.3 程序链接及ELF格式介绍
5.3.4 SoC BOOT程序设计
5.4 SOC资源及性能分析
5.5 本章小结
第六章 总结与展望
参考文献
致谢
在学期间的研究成果及发表的学术论文
【参考文献】：
期刊论文
[1]Differential attacks on reduced SIMON versions with dynamic key-guessing techniques[J]. Ning WANG,Xiaoyun WANG,Keting JIA,Jingyuan ZHAO. Science China（Information Sciences）. 2018(09)
[2]物联网环境下数据转发模型研究[J]. 李继蕊,李小勇,高雅丽,高云全,方滨兴. 软件学报. 2018(01)
[3]一种SM4掩码方法和抗DPA攻击分析[J]. 裴超. 密码学报. 2016(01)
[4]硬件木马威胁与识别技术综述[J]. 周昱,于宗光. 信息网络安全. 2016(01)
[5]SIMON算法的不可能差分分析[J]. 陈展,王宁. 密码学报. 2015(06)
[6]硬件木马综述[J]. 刘华锋,罗宏伟,王力纬. 微电子学. 2011(05)
博士论文
[1]抗功耗攻击的密码芯片电路级防护关键技术研究[D]. 乐大珩.国防科学技术大学 2011
[2]抗功耗攻击的安全SoC设计与实现关键技术研究[D]. 童元满.国防科学技术大学 2008
硕士论文
[1]针对全同态加密算法的硬件木马防御方案[D]. 谢宏峰.中国科学院深圳先进技术研究院 2016
[2]对若干轻量级分组密码算法的安全性分析[D]. 甘楠.东华大学 2016
[3]基于AES算法的抗功耗分析密码芯片的优化设计研究[D]. 董礼玲.南京航空航天大学 2016
[4]轻量级分组密码ESF的设计与实现[D]. 刘宣.山东师范大学 2014
[5]基于AES算法的硬件木马电路设计[D]. 史亚峰.天津大学 2012
[6]基于FPGA的旁路算法研究及其应用[D]. 李静.湖南大学 2011
[7]基于RISC架构嵌入式微处理器的设计与优化[D]. 闾佳斌.电子科技大学 2011
本文编号：3154262
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/3154262.html
