（计算机科学与技术专业论文）可重构密码处理结构的研究与设计.pdf

摘要 密码算法处理是需要商效计算的应用，要求计算系统具有强大的数据处理能力。 同时，由于计算系统对数据安全的要求越来越高，密码算法和标准在更新：现代安全 协议支持的算法在增加；协议具体使用的密码算法可能基于会话协商结果变化。计算 系统在保证高效执行的同时还要适应上述变化，专用a s i c 和通用微处理器难以在密 码处理性能和灵活性两方面进行合理的折衷。 可重构处理结构结合了微处理器的软件灵活性和专用a s i c 的硬件高效性，从结构 上容易匹配密码处理模式，实现较高的并行性，在性能上更易达到计算要求。同时， 可重构结构可以根据会话协商的结果改变硬件实现的算法，使同一硬件能够高效支持 密码应用领域内的多种算法，具有很大的灵活性。算法和密钥可以灵活修改，更减小 了安全系统失密的可能性，在商用、军事等领域具有很大的应用潜力。 密码算法处理具有相对固定的粒度和处理模式，粗粒度可重构结构更易匹配密码 算法，可避免大量布线，减小配置存储容量，降低算法映射的复杂度，利于系统实现 动态、局部重构。基于上述原因，本文把粗粒度可重构密码处理结构作为研究方向， 深入结合密码处理特点，研究能高效灵活处理各类密码算法的可重构结构。主要的工 作和研究成果如下： 1 可重构密码处理结构首先要遵循可重构的基本特点。本文根据参与密码处理的各 种数据具有不同变化频度这一特点，从输入分类的角度认识可重构处理的本质特 征，抽象出可重构密码处理单元模型r u c 模型。r u c 模型能描述用于密码处 理的主要功能单元、非时序电路和时序电路，可有效概括任意粒度的可重构处理 特征和各种配置组织方式。以r u c 模型为核心建立的可重构密码处理结构( r c a ) 模型可描述密码流水处理的特点和局部重构的特性。r u c 模型和r c a 模型为可重 构密码处理结构的研究提供了基本的参考结构、分析方法和设计准则。 2 在r c a 模型的基础上，结合对分组和公钥两类主流密码体系中算法特点的深入分 析，本文提出了可重构密码处理框架r c p f 。r c p f 是由粗粒度可重构单元按照二 维阵列结构和层次原则组织形成的可重构密码处理结构原型，可以组成可变并行 度的流水结构，具有支持s 盒查找的分布r a m ，采用静态和动态混合重构方式， 能有效支持两类密码核心操作的执行。确定不同的r c p f 参数取值便可得到具有不 同规模和适用性的可重构密码处理结构。 3 公钥密码的操作类型较为单一，在可重构密码处理结构上的映射比较固定，而分 组暂码的映射灵活性较大。本文主要针对分组密码研究了算法操作在r c p f 上的拆 分方法并根据两类算法的特点合理确定t r c p f 参数的取值。根据确定的r c p f 参 数值，提出并设计了可重构层次互连密码处理结构r h c a 。r h c a 基于粒度对齐原 则采用层次式置换网络结构，在综合考虑分组密码操作和公钥大数模乘操作控制 特点的前提下，r h c a 在数据通路、功能单元、置换网络、重构机制、在线控制 第l 页 等方面以统一的结构和模式处理两种不同体系算法的操作，具有较大的灵活性。 4 算法映射是r _ h c a 要解决的首要问题。本文基于r h c a 层次式置换网络结构研究了 两类体系中算法的映射。针对公钥算法，提出了统一大数模乘在r h c a 上的并行 处理算法，有效指导了各类模乘计算在r h c a 上的映射。针对分组算法，利用模 扳方法进行操作映射，分别给出了乘法和置换两类复杂模板的映射规律和映射算 法，减小了算法操作序列的映射复杂度。映射结果表明，r h c a 能成功实现所有 主流算法的映射，绝大多数密码映射结构紧凑，在r h c a 上达到较高的利用率。 5 本文研究了r h c a 的接口组织策略，得出r h c a 利用有限的存储空间和一定的控制 能够满足r h c a 动态重构和流水执行要求的结论。最后，我们给出了r h c a 的具体 实现。r h c a 采用v e r i l o g 语言编码，进行了功能模拟，并在0 1 3 p m 工艺下进行了 逻辑综合、布局和布线。 以上研究工作都是以在统一的可重构处理框架下灵活支持不同体系、不同种类的 密码算法为目标进行的。实验结果表明，r h c a 执行多种分组密码的性能比通用高性 能微处理器性能提高了1 0 3 0 倍；与其它可重构结构实现相比，其性能提高了1 弘8 倍；与其它专用硬件相比，r h c a 执行公钥操作的性能提高了2 5 6 倍。结果说明 r h c a 既能保证各类密码算法应用的灵活性又能达到较高的性能。 关键词：密码处理、可重构、 分组密码、大数模乘、流水处理、动态重构 a b s t r a c t c i p h e rp r o c e s s i n gr e q u i r e sp o w e r f u ld a t a p r o c e s s i n ga b i l i t yo f t h ec o m p u t i n gs y s t e m s - c r y p t o s t a n d a r d sc h a n g ew i t ht h eh i g h e rr e q u i r e m e n t so fi n f o r m a t i o ns e c u r i t y m o s t m o d e ms e c u r i t yp r o t o c o l sa r ea l g o r i t h mi n d e p e n d e n ta n ds u p p o r tav a r i e t yo fa l g o r i t h m s - t h ec r y p t oa l g o r i t h m si nu s ea r eb e i n gc h a n g e da c c o r d i n gt ot h ec o m m u n i c a t i n gs e s s i o n t h ei m p l e m e n t a t i o no fc r y p t os t a n d a r d sm u s tr e s p o n dt ot h e s ev a r i e t i e s i t sd i f f i c u l tf o r a s i ca n dg e n e r a lp u r p o s em i c r o p r o c e s s o rt oa c h i e v er e a s o n a b l et r a d e o f fo fs p e e da n d f l e x i b i l i t y r e c o n f i g u r a b l ed e v i c e sc a no b t a i nh i g l lp e r f o r m a n c el i k ea s i ca n df l e x i b i l i t y l i k e m i c r o p r o c e s s o n t h er e c o n f i g u r a b l es t r u c t u r ec a l lm a t c ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fc i p h e r p r o c e s s i n g m o r e e a s i l y a n da c h i e v e h i g h e rp a r a l l e l i s m t h er e c o n f i g u r a b l ec i p h e r p r o c e s s i n ga r c h i t e c t u r ec a nc h a n g et h ei m p l e m e n t a t i o no fc r y p t o g r a p h i ca l g o r i t h m sb a s e d o ns e s s i o nn e g o t i a t i o n ，t h e r e b yc a l ls u p p o r tl a r g ea m o u n to fc i p h e r s t h ef l e x i b i l i t yo f c h a n g i n gt h ec r y p t o g r a p h i ca l g o r i t h m sa n dk e y s a l s or e d u c et h e p o s s i b i l i t y o fb e i n g a t t a c k e d t h e r e c o n f i g u r a b l ec i p h e rp r o c e s s i n g a r c h i t e c t u r ew i l lb e w i d e l y u s e di n c o m m e r c ea n dm i l i t a r yf i e l d s t h es t r u c t u r eo fc r y p t o g r a p h i c a l g o r i t h m s h a s r e l a t i v e l y f i x e d g r a n u l a r i t y a n d p r o c e s s i n gm o d e t h ec o a r s e - g r a i nr e c o n f i g u r a b l ec i p h e rp r o c e s s i n ga r c h i t e c t u r ei sa n a v a i l a b l es t r u c t u r et h a t a v o i d sl o t so fr o u t i n g ，r e d u c e s c o n f i g u r a t i o ns t o r a g e a n d r e c o n f i g u r a t i o nt i m e t h e s ec h a r a c t e r i s t i c sm a k el o c a l ，d y n a m i cr e c o n f i g u r a t i o np o s s i b l e a n d s i m p l i f y t h e a l g o r i t h mm a p p i n g f o r t h e s er e a s o n s ，w ef o c u so n c o a r s e - g r a i n r e c o n f i g u r a b l ec i p h e rp r o c e s s i n ga r c h i t e c t u r ei nt h i sp a p e ra n dr e s e a r c hf o ra r te f f m i e n t ， a g i l e l yr e c o n f i g u r a b l ea r c h i t e c t u r e t h em a i nw o r ka n dr e s u l t sa r e ： 1 b a s e do nt h eo b s e r v a t i o nt h a tt h ed a t aw h i c ha r eu s e di n c i p h e rp r o c e s s i n gh a v e d i f f e r e n tc h a n g i n gf r e q u e n c i e s , ar e c o n f i g u r a b l eu n i tf o rc i p h e rp r o c e s s i n g ( r u c ) m o d e li s f i r s t l yp r o p o s e df r o mt h ev i e wo fi n p u tc l a s s i f i c a t i o n r u cm o d e lc a l l d e s c r i b et h em a i n c i p h e rp r o c e s s i n g f i m c t i o nu n i t s ，c o m b i n a t i o n a lc i r c u i t sa n d s e q u e n t i a l c i r c u i t si n r e c o n f i g u r a b l e d e v i c e s i ta b s t r a c t st h e k e y i d e a so f r e c o n i i g u r a b l ep r o c e s s i n gw i 也a r b i t r a r yg r a n u l a r i t ya n da l lk i n d so fm o d e st oo r g a n i z e c o n f i g u r a t i o nd a t a r e c o n f i g u r a b l ec i o p h e ra r c h i t e c t u r e ( r c a lm o d e ld e s c r i b e st h e c h a r a c t e r i s t i c so f p i p e l i n ep r o c e s s i n ga n dl o c a lr e c o n f i g u r a t i o nb a s e do nr u c r c a a n dr u cp r o v i d eas t r u c t u r a l s k e t c h ，a n a l y s i sm e t h o d sa n dd e s i g nr u l e sf o rt h e r e s e a r c ho f r e c o r t f i g u r a b l e c i p h e rp r o c e s s i n ga r c h i t e c t u r e 2 b a s eo nr c a m o d e l ，c o m b i n i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fb l o c kc i p h e r sa n dp u b l i c k e y c i p h e r s ，w cp r o p o s e a r e c o n f i g u r a b l ec i p h e rp r o c e s s i n gf r a m e w o r k ( r c p f ) r c p fi s a p i p e l i n e dp r o t o t y p ew i t h a l t e r a b l e p a r a l l e l i s m i nw h i c hc o a r s e - g r a i nu n i t sa v e o r g a n i z e di n t o ap l a n a r a r r a yf o l l o w i n gh i e r a r c h yp r i n c i p l e r c p fh a sd i s t r i b u t e d 第1 i i 页 r a mt os u p p o r tsb o xl o o k u p s t a t i ca n dd y n a m i cr e c o n f i g u r a t i o nm o d e sa r eu s e di n r c p fi no r d e rt o s a t i s f y t h e c o m p u t i n gr e q u i r e m e n t o f a l g o r i t h m s i nt w o c r y p t o g r a p h i cs y s t e m s c h o o s i n g d i f f e r e n tr c p fp a r a m e t e r s v a l u e sc a ni n d u c e r e c o n f i g u r a b l ec i p h e rp r o c e s s i n ga r c h i t e c t u r ew i 也d i f f e r e n ts i z ea n du s a b i l i t y 3 t h em a p p i n gm o d eo fo p e r a t i o n si np u b l i ck e yc i p h e ri s r e l a t i v e l yf i x e d b u tw i t h b l o c kc i p h e r , t h em a p p i n go p e r a t i o n sa r ef l e x i b l e t h em e t h o do f o p e r a t i o ns p l i t t i n gi n r c p fi ss t u d i e db a s e do nb l o c kc i p h e r r e a s o n a b l ev a l u e so fr c p f p a r a m e t e r sa r e f i x e db a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fp u b l i c k e yc i p h e r a n db l o c k c i p h e r t h e r e c o n f i g u r a b l e ，h i e r a r c h i c a lc i p h e rp r o c e s s i n ga r c h i t e c t u r e ( r h c a ) i sd e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h ed e t e r m i n e dv a l u e so fr c p fp a r a m e t e r s r h c aa d o p t sh i e r a r c h i c a l p e r m u m f i o ni n t e r c o r m e c t i o ni nt h eo p i m o no fd a t aa l i g n m e n t i tc a np r o c e s sb l o c k c i p h e r s a n dm o d u l a r m u l t i p l i c a t i o n s w i t hu n i f o r m e df u n c t i o n u n i t s ，d a t a p a t h s ， h i e r a r c h i c a lp e r m u t a t i o nn e t w o r k s ，r e c o n f i g u r a t i o nm e c h a n i s m sa n dr u n t i m ec o n t r o l s t h eu n i f o r m e da r c h i t e c t u r eo f r h c aa c h i e v e s h i g hf l e x i b i l i t yi nc i p h e rp r o c e s s i n g 4 t h e p a r a l l e lp r o c e s s i n ga l g o r i t h mo f t h eu n i f o r m e dm o d u l a rm u l t i p l i c a t i o ni nr h c a i s p r o p o s e d i tg u i d e st h em a p p i n go fd i f f e r e n tm o d u l a rm u l t i l ：l l i c a t i o n si nr h c a t h e m a p p i n gm e t h o do f b l o c kc i p h e r si sa l s os t u d i e di nt h i sp a p e r t e m p l a t ei su s e dt o s i m p l i f y t h e m a p p i n gc o m p l e x i t y m u l t i p l i c a t i o nt e m p l a t e s a r e a n a l y z e da n dt h e m a p p i n ga l g o r i t h m f o rp e r m u t a t i o ni sp r o p o s e d t h em a p p i n gr e s u l ts h o w st h a tr h c a c a l l m a pa l lm a i n s t r e a mc r y p t o g r a p h i ca l g o r i t h m s t h em a p p i n gs t r u c t u r e so fm o s t a l g o r i t h m sa r ec o m p a c t a n da c h i e v e h i 曲u t i l i z a t i o n 5 t h e o r g a n i z a t i o no fr h c a si n t e r f a c ei sr e s e a r c h e d t h ei n t e r f a c es t r a t e g ys h o w st h a t r h c ac a nr e a l i z ep i p e l i n i n ga n dd y n a m i c r e c o n f i g u r a t i o nu s i n gl i m i t e ds t o r a g ea n d c o n t r o l s r h c ai sr e a l i z e d u s i n gv e f i l o gh d l f u n c t i o ns i m u l a t i o ns h o w st h a t r h c ai sc o r r e c t s y n t h e s i s ，p l a c ea n dr o u t eo fr h c a h a v eb e e na c c o m p l i s h e du n d e r 0 1 3 p mt e c h n o l o g y t h ew o r ki n t h i s p a p e ra l m st os u p p o md i f f e r e n tk i n do fa l g o r i t h m si nd i f f e r e n t c r y p t o g r a p h i cs y s t e m s w i t hu n i f o r m e d r e c o n f i g u r a b l e p r o c e s s i n g f r a m e w o r k t h e e x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t et h a to nr h c a ，t h ep e r f o r m a n c eo fm a n yb l o c kc i p h e r si s 1 0 3 0t i m e sh i g h e rt h a no nh i g h - p e r f o r m a n c eg e n e r a lp u r p o s ep r o c e s s o ra n d1 7 8t i m e s h i g h e rt h a no no t h e rr e c o n f i g u r a b l ed e v i c e s n 圮p e r f o r m a n c eo fp u b l i c k e yc i p h e r o p e r a t i o n si s2 5 - - 6t i m e sh i g h e rt h a no no t h e rs p e c i a li m p l e m e n t a t i o n s t h e s ed a t ap r o v e t h a tr h c ac a r te t t s l l r e h i g hf l e x i b i l i t yf o ra l ls o r t so fc r y p t o g r a p h i ca l g o r i t h m sa n dc a n a c h i e v e r e l a t i v e l yh i g hp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：c i p h e rp r o c e s s i n g ，r e c o n f i g u r a b l e ，b l o c kc i p h e r , m o d u l a rm u l t i p l i c a t i o n ， p i p e l i n c dp r o c e s s i n g ，d y n a m i cr c e o n f i g u r a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成泉。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他 、已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育# ：构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意， 学位沦文题目： 互重抱蜜璺越堡缝擅盥盟歪量遮盐 学位论文作者签名 差盎盎 日期：2 卯牟年；月；j 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 又档，允许论文被查阅和借阋；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 掌位论叉题目： 要重掏墅堡筮垄缱掬塑盟壅复篮盐 学位论又作者签名 作者指导教师签名 日期：珈牛年；月；1 日 日期：酬年；月；1 日 一：星墼堂塑垄丝型堡塾垄坠：一 图1 1 计算任务处理结构 图索弓 图1 2 不同层次上开发并行性的i s a p 和p i s a p 体系结构分类 图1 3 微处理器体系结构的发展和研究趋势 图1 4 可重构结构示意 图1 5 可重构硬件在系统中的可能位置 图2 1 分组密码一轮的计算结构 图2 23 x 3 部分积之和阵列 图2 _ 3 部分积之和阵列相加的两种处理结构 图2 4 面向密码处理应用的可重构系统研究方法 图3 1 计算电路输入分类示例 图3 2r u c 模型 图3 3 多配置上下文r u c 模型 图3 , 4 单配置上下文r u c 模型 图3 5 带有时序的r u c 模型及时序示例 图3 6 单个分组带反馈的处理序列转换为单向流处理 图3 7 多个分组参与同一个操作 图3 8r c a 模型 图3 9r c a 体现相同功能的两种重构方式 图4 1r c p f 可变并行度流水结构， 图4 2 可重构乘法的共享 图4 _ 3r s u 的组织和应用 第v 页 。 一 石 b 瑟 凹 弱 撕 舵 舵 舛 郇 如 跎 ：堡墼鬯鳖筌鎏墼些鲨垒兰一 图4 4r s u 资源限制引起流水线停顿 图4 5 流水线停顿的处理 图4 6 r c p f 图4 ，7s 盒查找和置换的拆分 图4 , 8 一个p d a g _ 8 的部分视图和部分输入 图5 1 层次式互连结构 图5 2r m 网络与r c 网络的连接 图5 - 3r c p 结构 图5 4r p u 结构 图5 5r h c a 置换处理示例 5 3 5 3 5 5 一5 8 6 l 6 5 6 6 6 7 一6 9 7 0 图5 6 两大组单元流水线停顿控制7 l 图5 7r c m 和r m u 的连接结构 图5 8 算术和多项式乘法器低4 位逻辑结构 图5 9r f i c a 对多种粒度s 盒的支持示例 图5 1 0r h c a 基于组的重构控制结构 图5 11 动态重构组的局部动态重构 图6 i 大数模乘核心操作的数据相关图 图6 , 2p m m - k 算法计算时序示意 图6 3 算法6 5 在r h c a 上的映射 图6 4 算法6 6 在r h c a 上的映射 图6 5 算法6 5 、算法6 6 映射时r c m 和r m u 涉及的结构 图6 6 算法6 5 、6 6 映射时r c p 和r p u 涉及的结构 鼠6 7r m u 的重构时序 7 3 7 3 + 7 6 7 8 7 9 8 5 ，。8 7 9 0 9 l 9 2 ，9 4 9 6 第v i 页 一：星鳖鬯婪垄丝型堡塑垒坠： 图6 8 二倍点和点加的操作序列 图7 1 分组密码映射步骤 图7 2i d e a 部分操作序列及两个操作的d f g m t 图7 ，31 6 位乘法模板 图7 43 2 位模乘映射模板 图7 5 分组密码部分操作映射结构 图7 6s e r p e n t 映射结构 图7 7t w o f i s h 矩阵乘映射结构 图7 8 算法映射总级数 图7 9 算法映射单元利用率 图8 1r h c a 接口组织结构 图8 2c a d e n c e v e r i l o gx l 上r i - i c a 部分模拟结果 图8 3r h c a 的p l a c e ( m e d i u m e f f o r t ) 整体视图 图8 4r h c a 的p l a c e ( m e d i u m e f f o a ) 分组视图 图8 5r h c a 的n a n o r o u t e ( m e d i u m e f f o r t ) 视图 9 8 1 0 1 1 0 2 1 0 4 11 5 1 1 7 1 1 7 一1 1 9 ?ji，jjj，j?jj，jjj，j1 2 0 1 2 2 ，1 2 6 ，1 2 7 ，1 2 7 1 2 8 v i第i页 表索引 表2 ，1 分组密码算法基本操作及其粒度 表4 1r c p f 参数定义一 表4 2 各个算法的最大数据流通量 表6 1 算法6 ，2 、6 3 、6 4 操作数及运算符含义 表6 2 中间变量位宽和分割粒度k 的关系 表6 3 映射算法6 5 所采用的k 值 表6 4 模数长度与算法6 5 、6 6 中m 的关系 表6 5 各种算法的典型模数长度及r h c a 的计算步数 表7 1 分组密码涉及的置换参数及混乱度 表7 2 置换映射算法对映射的改进 表7 3 分组密码映射结果 表8 1 算法需要存储的功能配置项数和密钥项数 表8 2r h c a 分组密码处理性能 表8 3r h c a 分组密码性能比较 表8 4r i - i c a 公钥大数模乘的性能 表8 5r i - - i c a 公钥密码性能比较 第v i i i 页 幻 跖 甜 骶 髂 4 7 6 p p m 2 8 4 9 o 1 1 u n 他 挖 b b ：墼墼塑垄鐾墅型些堡婆一 第一章绪论 1 1 引言 科学计算、多媒体处理( 音频、视频、图像处理) 、实时数据处理( 目标识别、 模式识别) 及高速流式数据处理( 数据加密) 等应用都需要在合理的时间内完成大量 计算。这类应用需要处理的信息量通常较大，具有较高的计算要求，需要计算系统丌 发各个级别上的处理并行性来实现强大的数据处理功能，许多数字系统结构的研究都 着重于怎样有效处理这种重数据负载或较大计算强度的任务。 密码算法作为保护信息安全最有效和可行的方法之一，其安全基础是在一定长度 密钥参与下的明文或密文的一系列计算，攻击密码算法的主要障碍是一定数学理论支 持下的计算困难性。在可行( 处理代价是可接受的) 的前提下，一种密码算法在一定 范围内的安全强度( 密码被攻破的困难程度) 和其所需的计算量有直接的关系：采用 较长密钥、增加计算量在一定程度上可以增大密码算法的安全强度( 如3 重d e s ) 。 基于不同数学原理的密码算法其计算量也和安全强度直接相关，如公钥密码的安全强 度远远大于分组密码，而前者所需的计算量也比后者大得多( 数量级的差距) 。因此， 强大的计算能力是选择密码算法处理结构的重要依据。 集成废的飞速提高使数字集成电路芯片上可以容纳规模更大、数目更多、功能更 强的处理单元，使其用于大规模并行处理成为可能。数字集成电路作为一种实现确定 功能的器件，其可用性通常关注以下三点： 1 性能( p e r f o r m a n c e ) ：指器件处理应用的效用和能力，通常以处理速度、吞 吐率等指标表征。提高性能是器件追求的直接目标，实现途径有：提高器件 工作主频、增大存储带宽和容量、开发计算并行度、优化体系结构等。 2 灵活性( f l e x i b i l i t y ) ：指在性能可接受的前提下，处理应用问题的范围。由 于昂贵的n r e 费用，多功能、高适应性的器件用途会更广泛，生命周期也会 更长。在实际分类中，灵活性常以可编程性、可配景性、可容错性等来表征。 3 代价( c o s t ) ：指器件设计、生产、使用和维护过程中的费用。器件设计代价 与其要完成功能的复杂度相关，而通常所称的代价指芯片设计完成后的投片 费用和使用成本，芯片工艺、面积、功耗和封装等是衡量这些代价的指标。 数字集成电路从处理模式上可归为两大类：一是可编程的微处理器，二是针对某 一算法或某一具体应用的专用芯片( a s i c ) 。 可编程的微处理器又称为指令集结构微处理器( i s a p ) ，按应用范围可分为两类： 通用微处理器( g p p ：g e n e r a l p u r p o s ep r o c e s s o r ) 和针对特定应用的专用微处理器 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 ( a s i p ：a d p l i c a t i o n s p e c i f i c i n s t r u c t i o n s e t p r o c e s s o r ) 【1 2 1 。g p p 适用于各类应用，有 很强的灵活性。a s i p 的体系结构针对特定领域的一些应用进行优化，如d s p 【j j 。i s a 是微处理器软硬件的固定接口，i s a p 的软件灵活性依赖固定体系结构( 固定处理位 宽、数据通路、控制方式等) 的支持，针对某一具体应用能够做出的优化比较有限。 i s a p 中结构控制逻辑占有相当的比例，计算资源常常受限，处理计算强度较高或大 信息量的应用时同a s i c 比性能还有相当的差距。为了开发高的并行度，控制代价会 极快地增长，不能很好地支持这类应用。a s i c 是针对某一具体应用定制的芯片，其 结构设计、逻辑优化完全按应用的需要进行，处理性能高。但是，a s i c 的通用性差， 适应范围窄。 可重构的思想是结合微处理器的软件灵活性和的硬件高效性来构造计算部件 4 “。在可重构硬件应用中，指定硬件功能的过程称为“配置”( c o n f i g u r e ) ，改变原有 功能，重新指定硬件功能的过程称为“重构”( r e c o n f i g u r e ) 。可重构硬件( r h ： r e c o n f i g u r a b l eh a r d w a r e ) 的两个基本特点是： 1 灵活性。r h 生产出来后提交给使用者的是包含大量处理单元、存储单元及 各种控制等的逻辑电路，结构不针对具体应用“定制”，而是带有一定“普 适性”的结构，其中的功能单元、互连拓扑、存储容量、访存方式、i o 接 口等都由使用者用软件通过“配置”逻辑进行控制，以便使结构更符合应 用程序的算法要求。 2 高效性。针对具体应用配置的r h 能达到与a s i c 相近的性能。同时，r h 中 计算逻辑和配置控制逻辑占用硬件资源的多少影响r h 的性能和灵活性，为 了平衡二者的关系，r h 通常由规则的、可大量并行的计算单元为主体构成， 这样，易进行配置控制、更易实现大位宽、多种粒度的并行。对于简单、 规则、数据量大、需要各种粒度计算的应用，r h 具有十分明显的性能优势。 工艺的持续发展和硬件设计自动化水平的不断提高使可重构计算的研究在近1 5 年中蓬勃发展，r h 已成功应用于诸多领域 2 1 2 5 】，针对应用领域的计算特点，相应r h 都在灵活性和高效性方面做到了合理折衷。在学术界和产业界，以r h 为核心的可重 构系统研究方兴耒艾，可重构系统的应用领域在不断扩展，甚至未来的计算系统被预 测为将是由i m 和i s a p 构成的混合系统【8 】，以此来兼顾通用和专用两方面的性能。利 用可重构技术的众多应用领域都展示着巨大的研究空间和应用空间。本文将以密码处 理这类需要处理较大信息量或需要较大计算量，要求具有较高计算效率的应用为背 景，对可重构密码处理r h 中的关键技术进行深入研究和探讨。 2 第页 1 2 计算任务的处理平台 1 2 1 计算任务的处理结构 一个计算任务由两个要素构成：数据和数据要完成的操作。在三种硬件处理平台 i s a p 、r t t 及a s i c 中，操作体现为不同的形式：i s a p 中，操作体现为指令，r h 中 体现为配置，a s i c 中则直接对应于硬件线路。指令和配置归为软件范畴，是计算任 务与硬件最真接的接口。计算任务的处理结构指计算任务映射到具体硬件平台的步骤 和方式( 图1 1 ) ，对于三种硬件平台，处理结构中的每一步具有不同的含义。i s a p 的实现细节被抽象成指令集，指令控制i s a p 中的部件和数据通路；a s i c 则是已完 全规划好的底层版图，直接指示电路细节( 门、晶体管等) ，指导生产者定制出具有 特定功能的电路：r h 的实现细节被抽象成具有某种粒度的处理元素( 单元、连线等) ， 针对其体系结构和算法功能生成的网表实现对基本处理单元和数据路径的控制。 应用描述 ( 高级语言硬件描 述语言数据流图) 应用解析、 ( 编译综合布 局布线) 墓黧誓譬i 一体系结构描述 的应用库r _ 件系珀倒悃砸 待处理数据集 面向硬件的应用 描述( 可执行指 令网表版图) 硬件平台 ( i s a p 列 a s i c ) 图1 1 计算任务处理结构 结果 数据集 从应用描述转换到硬件平台可直接处理的形式，算法描述要经过重要的应用解析 过程。对于i s a p 映射，体系结构的软件接口为i s a ，程序编译的主要参照为指令集， 编译目标为指令流。针对a s i c 的应用解析过程为综合、工艺映射、布局布线等映 射的目标就是硬件电路。针对r h 的应用解析过程类似于a s i c 的映射过程，如f p g a ， 但根据r i i 体系结构特征( 处理粒度、规则的拓扑、并行性等) ，解析过程也会更多 地借鉴i s a p 中的编译分析方法【9 l 。面向具体硬件平台的应用库是辅助应用解析的有 效手段在i s a p 中，库可以看作是底层硬件抽象出来面向编程者的a p i ，而在r h 和a s i c 设计中，库更直接和详细地描述了体系结构中的元素和宏