长整数模运算器体系结构研究及实现

摘要

随着计算机网络技术的迅猛发展和网络技术在各行各业中的广泛应用，信息安全问题日益突出。密码技术可以有效的保证信息的保密性、完整性、可用性和抗抵赖性。密码技术，特别是公钥密码技术中的RSA算法和椭圆曲线(Ellipse Curve Cryptography,ECC)算法的芯片级实现，代表着一个国家信息安全保障的水平。为此，各个国家都投入了大量的人力、物力进行研究。 本文主要研究工作为长整数模运算的体系结构研究与实现。首先对几种模乘运算算法进行研究，并对线性和高基两种电路体系结构进行比较。在此基础上，对两种电路体系进行了改进，并且具体实现了这两种电路结构。在线性体系结构的基础上做出了适用于协处理器结构和模幂运算器结构等两种不同应用的改进方案，从面积上对线性模乘电路进行了优化。其中一种优化方式适合于协处理器结构，可以较大程度地减小芯片面积，另一种方式适合多次连续模乘运算的模幂运算器结构。 本文的重点工作为模乘运算协处理器的设计与实现。协处理器采用标准的INTEL处理器接口，并设计了多条指令以及相应状态位，可以使模乘运算与主处理器的其它工作同步进行，节省了主处理器的资源。论文提出的体系结构和所设计电路经过功能仿真和FPGA验证，工作正确。所设计电路经过Synopsys公司的综合工具Design Compiler综合，达到了较高的运算速度。在模乘协处理器的基础上，试验性地用FPGA实现了一种基于线性模乘单元的模幂运算器电路，在运算速度上达到了较高的指标，对于1024位模幂运算，可以不依赖指数E中“1”的个数，统一在1025个模乘运算周期内完成模幂运算。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题来源和研究意义

1.1.1本课题来源

1.1.2本课题研究的意义

1.2长整数模运算器体系结构研究现状

1.2.1国内外研究现状

1.2.2长整数模运算发展趋势、面临的问题

1.3长整数模运算器在公钥密码体制中的应用

1.3.1长整数模运算器在RSA密码体制中的应用

1.3.2长整数模运算器在ECC密码体制中的应用

1.4论文的研究工作和内容安排

第2章长整数模乘运算器体系结构研究

2.1长整数模乘运算的算法基础

2.1.1长整数模乘算法综述

2.1.2两种典型模乘运算算法

2.2线性模乘运算体系结构及其改进研究

2.2.1线性模乘运算体系结构

2.2.2线性模乘运算体系结构的改进

2.2.3改进前后两种体系结构的性能比较

2.3高基模乘运算体系结构及改进

2.3.1高基模乘运算体系结构

2.3.2高基模乘运算体系结构的改进

2.3.3改进前后两种体系结构的性能比较

第3章长整数模乘运算器电路实现

3.1线性模乘电路设计与实现

3.1.1电路模块设计

3.1.2电路详细设计

3.2高基模乘电路设计与实现

3.2.1电路模块设计

3.2.2电路详细设计

3.3电路性能分析比较

3.3.1改进前后线性模乘电路性能对比

3.3.2改进前后高基模乘电路性能对比

3.3.3线性模乘电路与高基模乘电路性能对比

第4章长整数模乘运算协处理器芯片及IP核设计

4.1模乘运算协处理器设计规范

4.1.1总体描述

4.1.2功能描述

4.1.3引脚描述

4.1.4指标参数

4.2模乘运算协处理器电路设计方案

4.2.1电路总体设计

4.2.2模乘电路设计

4.2.3接口寄存器设计

4.2.4内部寄存器设计

4.2.5指令与状态寄存器设计

4.3电路功能仿真

4.3.1电路仿真方案

4.3.2仿真结果

4.4电路FPGA测试

4.4.1电路测试平台

4.4.2电路FPGA综合报告

4.4.3电路测试及结论

4.5 DC电路综合报告

第5章长整数模幂运算器体系结构及实现研究

5.1长整数模幂运算硬件实现算法综述

5.1.1长整数模幂运算两种算法

5.1.2两种算法的比较

5.2长整数模幂运算体系结构

5.2.1基为2的模幂运算体系结构

5.2.2高基的模幂运算体系结构

5.2.3两种体系结构性能比较

5.3长整数模幂运算器电路设计

5.3.1电路总体描述

5.3.2电路总体设计

5.3.3模幂电路设计

5.3.4接口寄存器设计

5.3.5内部寄存器设计

5.3.6指令与状态寄存器设计

5.4电路功能仿真

5.4.1电路功能仿真方案

5.4.2电路测试结果

5.5电路FPGA测试

5.5.1电路测试平台

5.5.2电路FPGA综合报告

5.5.3电路测试及结论

第6章结论与展望

6.1本文结论

6.2展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢