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30000字硕士毕业论文RISC架构模式专用指令密钥处理器的研究与设计

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:30000字
论点:密码,指令,专用
论文概述:

论文扩展了一类专用密码运算指令,高效实现了分组密码处理中的S盒代替、比特置换、移位、有限域GF(2~8)域上矩阵乘法和算术模运算操作,大幅度提升了指令的执行效率;论文设计了一种能够灵活

论文正文:

  第一章绪论        1.11.1.1课题的研究背景、意义研究背景随着计算机网络的不断发展。Internet中丰富的、不断增长的信息资源己经成为人们获取信息的重要来源之一。但在网络带给人们便利的同时,也带来了一些不容忽视的问题,这就是网络上的信息安全问题。这些问题包括:信息泄露、数据窃取、份假冒等身等。这些问题如果不能很好的解决就会给个人和社会造成重大损失,甚至危害国家安全。为了保证信息的安全,人们采用了许多措施,其中,对数据进行加密就是一个行之有效的措施。传统的数据加密方式有两类:专用密码芯片(ASIC)方式和基于通用微处理器方式。专用密码芯片的速度快但灵活性差,基于通用微处理器加密灵活性好但速度慢。两种方式都各有其优缺点。密码处理芯片是构建信息安全系统的基础和核心部件。        目前,国内外广泛使用的密码处理芯片大都是实现某种特定密码算法的专用芯片,但专用密码芯片的灵活性与适应性较差。因为它直接针对一种或几种算法进行优化,实现的密码算法是确定的且不可更改,可以以最小的硬件代价获得最理想的性能。因此正是采用了这个算法固定的方式,使得芯片灵活性极差。密码算法和安全协议是不断发展的,密码算法、密码标准的不断更新要求硬件能及时适应这种变化的需求,固定算法的专用密码芯片要想支持新的算法、对已有算法进行修改,就必须重新设计生产全新的硬件,因此难以满足密码算法不断升级换代的需求。通用微处理器是实现密码处理的另一有效手段。由于通用微处理器具有软件可编程特性,因此,可以实现任意密码算法,具有很大的灵活性。        通用微处理器指令系统为其应用提供了统一规整、丰富灵活的编程接口,各种应用都可以通过各种基本指令的组合得以实现。因此,无论密码运算的种类、分组长度、运算模式如何,通用微处理器都可以通过指令编程实现。但通用微处理器缺少针对密码运算的专用计算部件,缺少针对密码算法的专用运算指令,其算法实现性能远远低于专用密码芯片。因此密码算法中诸如置换、S盒查表等操作的运算速度很慢,降低了整体处理速度。由于两种方式各有优劣,人们试图研究一种新的密码处理结构,它既能够克服专用密码芯片只能实现特定密码算法的弊端,又能解决通用微处理器加密方式速度慢的缺点,在密码算法实现的性能和灵活性之间获得较好折衷,于是人们想到了采用专用指令集处理器ASIP(ApplicationSpecificInstruction-SetProcessor)。专用指令集处理器是一类针对某类特定应用的专用指令系统的微处理器[}0z}oASIP在体系结构上针对某一领域的一些应用问题做出了一定优化,设计了专用指令,使处理器在保持某一领域通用性前提下更加匹配这一领域算法的处理特点,从而能更高效地完成此领域的计算任务。网络处理器和DSP是目前应用较为广泛的ASIP,两类专用指令处理器分别针对网络通信协议处理和数字信号处理增加了专用指令,已经成为各自领域高速数据处理的主流器件。        密码算法处理是计算复杂强度较大的任务,控制相对简单,非常适合设计具有密码处理特点的ASIP,即专用指令密码处理器,专用指令密码处理器是面向密码处理领域的ASIPo1.1.2研究思路经过对上述两种传统加密方式优缺点的分析,可以看出通用微处理器加密方式速度慢、性能低;专用密码芯片由于实现的密码算法是确定的且不可更改,因此难以满足不同密码用户的需要和密码算法不断升级换代的需求。要使密码系统能够灵活、快速地实现多种不同的密码算法,必须对通用处理器进行体系结构改进使其与密码算法相匹配。因此,如何在密码处理的灵活性与高效性之间取得平衡,是本论文研究的主要方向。为解决这一问题本论文采用了专用指令处理器的设计思想,通过在加强ASIP数据通路的计算能力、简化控制通路的复杂度,使其更加匹配密码算法的处理特点,从而达到更高的处理效率,形成高效、高灵活性的专用指令密码处理器。本论文采用RISC(ReducedInstructionSetComputer)结构作为原型系统针对密码处理与应用在体系结构上进行优化,主要从以下几个方面进行改进:(I)设计专用指令专用指令密码处理器要想高效地实现密码算法必然要扩展一类专用密码运算指令,使得用几条,几十条通用指令才能实现的密码操作用一条专用指令就能够实现。这样能够大大减少实现密码算法的指令条数。(2)设计存储结构通用RISC处理器的存储结构并不适合密码运算,在实现密码算法时由于要频繁地访存降低了处理器的密码处理性能。       因此设计合理的存储结构使处理器能够在保持通用性的前提下更加匹配密码算法的处理特点。(3)设计流水线微结构指令设计和存储结构的改进都需要硬件结构做支持,也同样需要合理的流水线微结构与之相匹配才能更好地体现其优越性。因此结合RISC流水线特点,对流水线各级进行合理划分,并解决流水线中的相关问题。1.1.3研究意义目前网络通信正朝着高速化、多样化的方向发展,信息安全保障范围不断扩大,专用指令密码处理器在体系结构设计上充分考虑密码处理特征和计算模型,采用专用指令实现密码运算,既保留了通用微处理器灵活性的特点,又具备较高的密码处理性能,能够满足算法不断变化的需求。 参考文献[1]  Katherine Compton, Scott Hauck. Reconfigurable Computing: A Survey of Systems and Software. ACMComputing Surveys[J], Vol 34, No.2, Jun.2002:171-210.   R Hartenstein.The Microprocessor is no more Genera( Purpose. In Proc of ISIS\'97汇C],Austin, Texas,USA, Oct. 1997.[3」夏军.32位RISC微处理器设计研究[fD].武汉:华中科技大学,2004.杨洗,齐家月.32位RISC微处理器设计[J].微电子学,2001 31(1): 58-61.范长永.32位RISC处理器模块设计[[D].北京:北京工业大学,2003.周莉.RISC与DSP处理器结构、微结构设计研究田】.杭州:浙江大学,2004.倪晓强.并行向量密码处理的结构设计与研究【D].长沙:国防科技大学,2004.刘嘉桦.由指令集架构之改良提升嵌入式处理器之加密深处效能田}.台湾:逢甲大学电机工程学系硕士论文,2002.  摘要 7-8 Abstract 8 第一章 绪论 9-13     1.1 课题的研究背景、意义 9-11         1.1.1 研究背景 9-10         1.1.2 研究思路 10         1.1.3 研究意义 10-11     1.2 研究内容及创新点 11-12         1.2.1 研究内容 11         1.2.2 创新点 11-12     1.3 论文结构安排 12-13 第二章 RISC结构专用指令密码处理器设计综述 13-27     2.1 RISC处理器及其特点 13-18         2.1.1 RISC处理器体系结构概述 13-14         2.1.2 RISC处理器指令系统 14-16         2.1.3 RISC处理器流水线结构 16-18     2.2 RISC结构专用指令密码处理器结构特点 18-22         2.2.1 专用指令密码处理器概述 18-20         2.2.2 RISC结构专用指令密码处理器 20-22     2.3 RISC专用指令密码处理器结构模型 22-26         2.3.1 RISC增强型结构模型 23         2.3.2 RISC联合型结构模型 23-25         2.3.3 RISC融合型结构模型 25-26     2.4 本章小结 26-27 第三章 RISC结构专用指令密码处理器指令研究与设计 27-45     3.1 指令设计研究 27-28     3.2 移位指令 28-32         3.2.1 移位操作分析 28-30         3.2.2 移位指令设计 30-32     3.3 置换指令 32-35         3.3.1 置换操作分析 32-33         3.3.2 置换指令设计 33-35     3.4 S盒代替指令 35-40         3.4.1 S盒操作分析 35-37         3.4.2 S盒代替指令设计 37-40     3.5 有限域乘法指令 40-42         3.5.1 有限域乘法分析 40-41         3.5.2 有限域乘法指令设计 41-42     3.6 其它操作 42-44         3.6.1 模加/减运算指令 42-43         3.6.2 模乘运算指令 43-44     3.7 本章小结 44-45 第四章 RISC结构专用指令密码处理器存储结构研究 45-56     4.1 存储结构设计研究 45-48         4.1.1 分组密码的存储特性 45-46         4.1.2 RISC访存结构对密码运算的影响 46-48     4.2 RISC结构专用指令密码处理器存储结构 48-49         4.2.1 存储结构分析 48-49         4.2.2 存储结构设计 49     4.3 专用存储单元的设计 49-53         4.3.1 S盒存储模块 50-51         4.3.2 密钥及配置数据存储模块 51-53     4.4 寻址模式设计 53-55     4.5 本章小结 55-56 第五章 RISC结构专用指令密码处理器流水线微结构研究 56-70