低功耗专用指令集安全处理器架构及VLSI实现研究

发布时间：2020-05-20 07:26

【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,传统解决方案中的硬件实现方法,如专用集成电路(ASIC),可以达到功能和性能上的要求,但是硬件的解决方案缺乏灵活性、可配置性,以及在设备的整个使用周期中的可拓展性。软件实现方法,如基于通用处理器的方法是一种灵活的解决方案,但是与专用的硬件解决方案相比需要更高的成本和更多的功耗。为了克服传统实现方式带来了的成本高、系统复杂和灵活性差等问题,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,在性能、成本、功耗、灵活性、time-to-market等多方面体现了综合优势。本文基于专用指令集架构提出了一种低成本、低功耗、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。首先本文通过分析典型公钥密码算法、对称密码算法、散列算法的特点,完成了关键算法步骤的特征提取。其次,基于算法分析的成果,在处理器结构内部设计了RSA/SHA复用加密单元、特殊算术逻辑单元与并行查找表等功能单元,通过加速算法的关键步骤,以较小的硬件代价大大增强的密码算法的执行效率。第三,本文根据处理的硬件结构设计了密码学专用指令集,它为密码算法提供了灵活、高效的软件实现方式,能够大幅度降低程序代码的对存储容量的需求。第四,在系统结构级上,本文采用了多种低功耗技术,如冻结闲置运算单元、旁路冗余运算等,能够有效地降低处理器的动态功耗。由于本文设计的安全处理器具备低成本、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、安全嵌入式系统等领域将具有非常良好的应用前景。
【学位授予单位】：复旦大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TP332

【参考文献】