双域ECC协处理器体系结构研究与设计

论文摘要

灵活性与高效性是密码处理追求的两大主要目标。目前的椭圆曲线密码系统多为针对特定的域、曲线或者参数进行优化设计,具有较高的运算速度,但这类设计无法满足算法更换的需求,灵活性较差。论文从分析椭圆曲线密码基本运算出发,结合现代计算机体系结构最新研究成果,研究面向素数域和二进制域、支持任意曲线的椭圆曲线密码协处理器设计问题。论文对椭圆曲线密码基本算法进行了深入的分析,研究了算术运算层可开发的并行度,提出了能增加30%运算速度的素数域和二进制域下点乘、点加和倍点运算并行调度算法,设计了基于VLIW的、两路并行的ECC协处理器体系结构;论文对椭圆曲线密码基本算子进行了分析抽象,提出了椭圆曲线密码协处理器的基本指令操作,设计了并行度为2的指令束结构,并对指令槽进行了深入细致的研究;论文对椭圆曲线密码运算的组成结构和存储特性进行了分析研究,提出了存储系统总体设计思路,设计了两读两写32x32x12bit的RAM阵列,并根据协处理器的特点,给出了支持双域的模加/减、模乘及模逆运算的实现方案。论文设计了基于VLIW结构的ECC协处理器方案,协处理器能够支持素数域和二进制域下任意曲线参数的椭圆曲线密码算法,具有较高的灵活性;所设计的并行处理结构能够大幅提升了点加、倍点及点乘运算速度,具有较高的密码处理性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景、意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究内容
• 1.1.3 研究意义
• 1.2 论文的研究思路、结构与创新点
• 1.2.1 研究思路
• 1.2.2 论文结构
• 1.2.3 创新点
• 第二章 双域ECC协处理器设计综述
• 2.1 椭圆曲线密码体制的基本特征分析
• 2.1.1 椭圆曲线密码算法
• 2.1.2 椭圆曲线密码算法的相关参数
• 2.1.3 椭圆曲线密码处理的基本特征及研究方向
• 2.1.4 椭圆曲线密码体制
• 2.2 ECC实现概述
• 2.2.1 基于通用微处理器的ECC实现方式
• 2.2.2 固定参数 ECC密码芯片
• 2.2.3 参数可配置 ECC密码芯片
• 2.2.4 ECC密码协处理器
• 2.3 本章小结
• 第三章 ECC协处理器并行处理研究
• 3.1 概述
• 3.1.1 ECC运算层次
• 3.1.2 ECC并行处理
• 3.2 二进制域上点乘算法并行性研究
• 3.2.1 点加运算调度
• 3.2.2 倍点运算调度
• 3.2.3 坐标变换调度
• 3.3 素数域上点乘算法并行性研究
• 3.3.1 点加运算调度
• 3.3.2 倍点运算调度
• 3.4 椭圆曲线并行操作结构设计
• 3.4.1 并行微处理器体系结构
• 3.4.2 并行协处理器设计思路
• 3.5 本章小节
• 第四章 ECC密码协处理器指令系统设计
• 4.1 概述
• 4.1.1 指令设计
• 4.1.2 指令操作
• 4.2 模加/减指令
• 4.2.1 模加/减运算
• 4.2.2 模加/减指令设计
• 4.3 模乘指令
• 4.3.1 模乘运算
• 4.3.2 模乘指令设计
• 4.4 模逆指令
• 4.4.1 模逆运算
• 4.4.2 模逆指令设计
• 4.5 其它指令
• 4.6 指令操作并行性设计
• 4.6.1 并行指令
• 4.6.2 并行指令构成要素
• 4.6.3 并行指令结构
• 4.7 指令槽结构
• 4.7.1 R型指令
• 4.7.2 J型指令
• 4.8 本章小结
• 第五章 ECC密码协处理器组成结构研究
• 5.1 存储系统设计
• 5.1.1 协处理器数据存储特点
• 5.1.2 协处理器存储结构设计
• 5.2 功能单元设计
• 5.2.1 模加/减运算单元
• 5.2.2 模乘运算单元
• 5.2.3 模逆运算单元
• 5.3 协处理器组成结构设计与实现
• 5.3.1 协处理器组成结构设计
• 5.3.2 协处理器组成结构的实现
• 5.4 本章小节
• 第六章 椭圆曲线密码算法实现及性能分析
• 6.1 二进制域下群运算实现及比较
• 6.1.1 二进制域下点加倍点运算
• 6.1.2 二进制域下点乘运算
• 6.2 素数域下群运算实现及比较
• 6.2.1 素数域下倍点运算的实现
• 6.2.2 素数域下其他群运算
• 6.3 小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 作者简历 攻读硕士学位期间完成的主要工作
• 致谢